近日，我室孙世刚院士团队的周志有教授、王宇成副教授和叶进裕高工，在工况红外光谱研究中取得重要进展。相关成果以“Unraveling CO-Tolerance Mechanism in Proton Exchange Membrane Fuel Cells via Operando Infrared Spectroscopy”为题发表于Angewandte Chemie International Edition （DOI: 10.1002/anie.202503868）。

CO中毒是质子交换膜燃料电池（PEMFCs）面临的一个关键挑战。当前关于CO耐受性的研究主要集中在固/液两相界面（原位条件，in-situ），而PEMFCs的实际运行环境为固/液/气三相界面（工况条件，operando），二者在界面微环境与物质传输方面存在显著差异。因此，发展先进的operando表征技术对于探究PtRu催化剂在复杂operando条件下的CO耐受性机制至关重要。

研究人员通过将透射红外光谱技术与膜电极组件（MEA）技术相结合，开发出一种工况红外光谱方法，首次实现了对商用PtRu/C催化剂在PEMFCs中CO耐受机制的实时观测。通过对比商用PtRu/C催化剂在in-situ与operando下的CO吸附/脱附过程，系统揭示了CO耐受机制。研究发现，在in-situ条件下，即使CO占据70%的活性位点，氢氧化反应（HOR）电流仅下降7%，表明此时HOR活性不受反应动力学控制，而是受限于溶液中H₂的低溶解度导致的传质限制；而在operando条件下，由于气体扩散电极加速了传质，HOR活性因CO吸附导致自由活性位点减少而迅速衰减。值得注意的是，当从CO/H₂混合气切换至纯H₂条件下，HOR活性可恢复至初始值的76-79%。根据CO谱带的动态演变，研究人员提出了一种新的CO耐受路径：CO从Pt位点迁移至Ru位点，并在低至0.01 V（vs. RHE）的电位下发生氧化。该研究提供了一种新型operando光谱技术，为理解燃料电池实际运行过程的CO耐受机制提供了新视角。

该工作在周志有教授、王宇成副教授和叶进裕高工的指导下完成。2022级博士生杜佳峰为本文第一作者。研究工作得到国家重点研发计划（2021YFA1501504），国家自然科学基金（2224120122288102、22021001）的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202503868