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Hydrophilic Single-Atom Interface Empowered Pure Formic Acid Fuel Cells

化学 甲酸 接口(物质) Atom(片上系统) 燃料电池 化学工程 组合化学 纳米技术 无机化学 有机化学 分子 操作系统 计算机科学 吉布斯等温线 工程类 材料科学
作者
Kai Wei,Mingzi Sun,Xiaoke Xi,Tongtong Yang,Meijian Tang,Kangcheng Wang,S GAO,Ruiguo Cao,Xian Wang,Bolong Huang,Xian Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (18): 15490-15498 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacs.5c01842
摘要

Single-atom catalysts (SACs), offering high mass activity and enhanced resistance to poisoning, are regarded as superior alternatives to traditional Pt/Pd nanocatalysts for direct formic acid fuel cells (DFAFCs). However, failure toward operation in concentrated formic acid (FA), which is critical for portable electronics, challenges their antipoisoning advantage and highlights a missing part in the understanding of the reaction. We herein demonstrate that the interfacial hydrophilicity of SACs is pivotal for high-performance DFAFCs, enabling, for the first time, stable operation with pure FA (>99%). By incorporating transition metal single atoms (Co, Fe, Ni, Ru) into Ir/NC catalysts, we engineered highly hydrophilic interfaces, as validated by molecular dynamics simulations and experimental studies. The optimized IrCo/NC anode exhibited a mass activity 342 times higher than that of nanoparticle-based catalysts and represented as the first SAC to achieve a higher peak power density (107.7 mW cm-2). A new reaction mechanism is revealed, where CO acts as a reactive intermediate rather than a poison. Further, in situ spectroscopy and isotope kinetic analyses identified water intermediate involvement in the rate-determining step, underscoring the critical role of hydrophilic interface engineering in DFAFC.
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