DOI: 10.1021/acsami.1c00595

H2/CO2燃料电池是一种可以通过发电将CO2转换为碳氢燃料的有前途的设备。在本文中，研究者采用简便的静电纺丝方法合成了Ru-CNF催化剂，其中Ru纳米粒子均匀分散在N掺杂碳纳米纤维中。该催化剂在170℃时具有高达308.46μmol/gcat/h的CH4产率，优于Ru/CNF（242.53μmol/gcat/h/）和Ru/CNT（194.24μmol/gcat/h）。Ru-CNF增强的CO2RR性能可归因于Ru纳米粒子在CNF基质内的均匀分布以及Ru位点与N物种的协同作用，导致形成了更多的CO2RR活性位点，从而提高了催化活性。同时，在负极（H2氧化）和正极（CO2还原和析氢）反应强度上，它可以达到1.8W/m2的峰值功率密度，具有显著的稳定性。上述发现为H2/CO2燃料电池系统中CO2还原反应的相关研究提供了理论基础，对进一步开发出高效的CO2还原催化剂具有重要意义。

图1.（a）Ru-CNF合成过程示意图。（b）Ru-CNF催化剂的照片。（c）Ru-CNF催化剂的XRD图。（d）Ru-CNF催化剂的SEM图像。（e）Ru-CNF催化剂的低分辨率TEM图像。（f）Ru-CNF催化剂的高分辨率TEM图像。（g）Ru-CNF催化剂的HAADF-STEM图像以及N、C和Ru的相应EDX元素图。

图2.H2/CO2燃料电池的基本性能评估。（a）H2/CO2燃料电池的结构，该结构与GC耦合以实时分析气态产物。（b）使用火焰离子化检测器得出标准烃类气体（CH4，C2H4）的GC结果。（c）使用热导检测器得出标准永久性气体（H2，CO2，N2和CO）的GC结果。

图3.（a）在80至200℃的不同温度下，H2流量为20mL/min且CO2流量为20mL/min的H2/CO2燃料电池的极化和功率密度曲线。（b）在80至200℃的不同温度下，CO2RR和HER的正极反应选择性以及相应的CH4产率。（c）在170℃下，含商用Pt/C、Ru/CNT、Ru/CNF、Ru-CNF和CNF的H2/CO2燃料电池的极化和功率密度曲线。（d）使用不同催化剂进行CO2RR和HER的正极反应选择性以及相应的CH4产率。（e）商用Pt/C、Ru/CNT、Ru/CNF、Ru-CNF和CNF在N2或CO2饱和的0.5M H2SO4溶液中的线性扫描伏安曲线。（f）具备Ru-CNF的H2/CO2燃料电池在170℃和50A/m2下的恒电流放电曲线，以及10h内CH4的相应产率。

图4.（a）Ru-CNF、Ru/CNF和Ru/CNT催化剂的Ru3p XPS光谱。（b）Ru-CNF、Ru/CNF、CNF和Ru/CNT催化剂的N1s XPS光谱。（c）Ru-CNF催化剂的去卷积C1s XPS峰。

图5.（a）在H2/CO2燃料电池中，沿甲酸盐途径在Ru纳米颗粒表面上将CO2还原为CH4的合理机制。（b）Ru-CNF在CO2RR之前和之后的N1s XPS光谱。

图6.（a）Ru-CNF、Ru/CNF、CNF和Ru/CNT催化剂的氮气吸附-解吸等温线。（b）Ru-CNF、Ru/CNF、CNF和Ru/CNT催化剂的BET表面积和孔径分布。（c）Ru-CNF、Ru/CNF、CNF和Ru/CNT催化剂的孔体积分布图。