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Direct Methanol Fuel Cell with Porous Carbon-Supported PtRu Single-Atom Catalysts for Coproduction of Electricity and Value-Added Formate

催化作用 甲醇 协同生产 格式化 化学工程 多孔性 碳纤维 材料科学 燃料电池 化学 废物管理 有机化学 工程类 公共关系 复合数 政治学 复合材料
作者
Munir Ahmad,Muhammad Bilal Hussain,Jiahui Chen,Yang Yang,Xuexian Wu,Hao Chen,Shahzad Afzal,Waseem Raza,Zhengxin Zeng,Fei Ye,Xueyang Zhao,Jiujun Zhang,Renfei Feng,Xian‐Zhu Fu,Jing‐Li Luo
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (12): 9134-9143 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c02016
摘要

Bottlenecks in direct methanol fuel cells (DMFCs) with conventional noble metals as anode catalysts involve the formation of valueless byproducts and carbon dioxide (CO2) emissions. Carbon-supported Pt single atoms have demonstrated high performance in DMFCs. However, the adsorbed intermediates (COads) strongly bind to Pt single-atom sites, resulting in complete methanol oxidation to CO2 and low power densities. Herein, we have developed a DMFC for CO2-emission-free coproduction of electricity and valuable formate using metal organic framework (MOF)-derived N-doped porous carbon-supported PtRu single-atom (referred to as PtRuSA/NPC) catalysts. The DMFC produces current and power densities of 657 mA cm–2 and 97.4 mW cm–2, respectively, at a potential of 0.65 V with a 98.4% Faraday efficiency for formate at 80 °C. Density functional theory (DFT) calculations show that CH3OH molecules preferentially adsorb onto the PtRu single atoms, but their oxidation to CO2 molecules on PtRuSA/NPC is kinetically unfavorable due to the large energy barrier. This study offers a pathway to developing high-performance and CO2-emission-free electrocatalysts for DMFCs.

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