陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)由于堿性電解質腐蝕性小，可利用廉價的非貴金屬催化劑(M-N-C)作為陰極而受到廣泛關注。作為陰離子交換膜燃料電池不可或缺的組成部分，陽極氫氧化反應(HOR)的速率直接影響了AEMFC的性能。然而，即使是先進的Pt/C催化劑，其在堿性環境下的HOR性能也不理想(約0.4 mA μgpt-1@50 mV)。
主要原因是：在堿性介質中，Pt上的HOR動力學相對于酸性環境明顯緩慢；另一方面，Pt催化劑容易一氧化碳(CO)中毒(甚至<10 ppm)，導致HOR的活性急劇下降。大規模工業碳氫化合物重整生產的廉價粗氫通常留有微量的CO，因此開發高活性、耐CO的堿性HOR催化劑用于大功率、低成本的AEMFC具有重要意義。
近日，中國科學技術大學陳乾旺和楊陽等將Ru納米粒子負載在具有原子分散的V-O物種的碳骨架上(Ru/VOC)，用于高效催化堿性HOR。實驗結果和密度泛函理論(DFT)計算表明，原子分散在碳載體上的V-O物種可以作為氫吸附的理想位點，使更多的氫吸附位點存在于Ru上，從而提高Ru的堿性HOR性能；而Ru納米顆粒與碳載體之間的電子轉移調節了Ru的電子結構，從而降低了Ru的氫結合能(HBE)，同時減弱了CO在Ru上的吸附。
因此，碳載體上原子分散的V-O物種與Ru納米粒子之間的協同作用可以有效地提高催化劑的HOR活性和CO耐受性。
因此，Ru/VOC表現出優異的HOR活性，其質量活性分別是Ru-V2O3/OC和Ru/C的3.3倍和31.3倍，甚至比Pt/C高4.7倍。研究人員以40 wt% Pt/C作為陰極，Ru/VOC作為陽極制備了膜電極組件(MEA)，Ru/VOC陽極在2.4 A cm-2處的峰值功率密度為1.194 W cm-2，遠遠優于Ru/C陽極(1.3 A cm-2處的峰值功率密度為0.677 W cm-2)和Pt/C陽極(2.0 A cm-2處的峰值功率密度為0.955 W cm-2)。
此外，在0.1 V電壓下連續運行11000 s，Ru/VOC的相對電流密度僅下降9.3%，穩定性試驗后材料的結構沒有明顯變化；在1000 ppm CO的條件下，Ru/VOC在0.1 V下運行1800 s后，其相對電流密度仍保持90.9%，表明Ru/VOC具有優異的抗CO中毒能力。綜上，該項研究首次報道了分布在碳骨架上的親氧單原子作為羥基吸附位點用于高效HOR反應，這為合理設計高活性的堿性HOR催化劑提供了指導。
V–O species-doped carbon frameworks loaded with Ru nanoparticles as highly efficient and CO-tolerant catalysts for alkaline hydrogen oxidation. Journal of the American Chemical Society, 2023. DOI: 10.1021/jacs.3c11734
