燃料電池近期研究成果匯總

 

離子液體是聚合物電解質(zhì)燃料電池催化劑層中用于增強(qiáng)氧還原反應(yīng)的一種很有前景的添加劑。然而，需要對(duì)其在實(shí)際相關(guān)膜電極組裝環(huán)境中復(fù)雜催化劑層中的作用有基本的了解，以便合理設(shè)計(jì)高耐用活性的鉑基催化劑。近日，美國加州大學(xué)Iryna V. Zenyuk課題組探索了三種高質(zhì)子導(dǎo)電性和氧溶解度咪唑衍生的離子液體，將它們加入高表面積的炭黑載體中。揭示了離子液體改性催化劑的物理性質(zhì)和電化學(xué)性能之間的相關(guān)性，為離子液體在改變催化劑層界面內(nèi)親水性/疏水性相互作用方面的作用提供了直接證據(jù)。通過優(yōu)化界面設(shè)計(jì)得到的催化劑在H2/O2，0.9V下質(zhì)量活性達(dá)到了347 A g−1Pt，在1.5 bar H2/air條件下，功率密度為0.909 W cm−2。在0.8 A cm−2條件下，經(jīng)過30 k加速應(yīng)力測試循環(huán)后，只有0.11 V的電位下降。這種性能歸功于ILs的加入， 使得埋在孔內(nèi)的鉑的可達(dá)，從而大幅提高鉑利用率。

 

相關(guān)成果以“Revealing the role of ionic liquids in promoting fuel cell catalysts reactivity and durability”為題發(fā)表在國際頂級(jí)期刊Nature Communications上。

 

 

 

近日，伊利師范大學(xué)與北京科技大學(xué)環(huán)境與能源納米材料交叉團(tuán)隊(duì)合作報(bào)道了一種中空鈷鐵氧體納米纖維耦合碳納米管納米纖維基導(dǎo)線材料，該材料主要通過電紡聚乙烯吡咯烷酮、鐵和鈷鹽前驅(qū)體溶液、熱解及原位混合過程制得。這種納米纖維基導(dǎo)線材料具有三維多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可為微生物的附著提供較大的空間。另外，中空鈷鐵氧體納米纖維中的鈷和鐵離子的變化合價(jià)效應(yīng)可以調(diào)控微生物種間電子傳輸，碳納米管可以改善鈷鐵氧體納米纖維表面的導(dǎo)電性，降低電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻。基于以上優(yōu)點(diǎn)，將中空鈷鐵氧體納米纖維耦合碳納米管應(yīng)用于MFC陽極，顯著提升了陽極表面微生物的含量、陽極比電容、及MFC的產(chǎn)電性能。最大輸出功率達(dá)到了2290 mW m−2，約是純碳布陽極的4.6倍。較高的輸出功率可為電子器件供電，本研究為構(gòu)筑陽極界面結(jié)構(gòu)以提高M(jìn)FC整體性能提供了一種新思路。相關(guān)成果以“Hollow cobalt ferrite nanofibers integrating with carbon nanotubes as microbial fuel cell anode for boosting extracellular electron transfer”發(fā)表在知名期刊Applied Surface Science上。北京科技大學(xué)博士研究生劉遠(yuǎn)峰為第一作者，周光明教授和李從舉教授為論文共同通訊作者。

 

 

 

PGM催化劑的本征質(zhì)量活性（MA）由比面積活性（SA）和電化學(xué)表面積（ECSA）決定。一方面，提高PGM催化劑的SA，即通過提高單個(gè)活性位點(diǎn)的轉(zhuǎn)換頻率（TOF），可以在超低PGM負(fù)載量的情況下確保整個(gè)燃料電池裝置的高催化活性。然而TOF的提升無疑會(huì)增加物質(zhì)輸運(yùn)的壓力，因?yàn)檫@意味需要向單個(gè)活性位點(diǎn)更快地傳輸反應(yīng)物同時(shí)更快地移走產(chǎn)物。快速的傳質(zhì)也會(huì)加快Pt原子的溶解，造成催化劑在PEMFC運(yùn)轉(zhuǎn)過程中加速失活。同時(shí)，膜電極（MEA）中氧氣傳輸?shù)淖璧K與催化位點(diǎn)的數(shù)目成反比，在超低PGM負(fù)載量的情況下活性位點(diǎn)的數(shù)目已處于極限狀態(tài)，少量催化劑的性能下降（由催化劑顆粒聚集和由Ostwald熟化導(dǎo)致的催化劑顆粒增大從而使燃料電池內(nèi)位點(diǎn)減少）就會(huì)造成氧氣傳輸阻礙的顯著提高，最終造成顯著的性能降低。另一方面，減少催化劑的尺寸，構(gòu)造超細(xì)小的納米催化劑，使其具有高的ECSA，也是解決超低PGM負(fù)載時(shí)催化活性受限問題的一個(gè)思路。然而，具有高的表面積-體積比的超細(xì)小納米顆粒在在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的，使得納米顆粒傾向于通過物理聚集或者Ostwald熟化過程發(fā)生顯著的長大，這會(huì)造成ECSA以及MA的逐步損失，穩(wěn)定性難以滿足要求。因此超低PGM負(fù)載的PEMFCs的長程穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這要求在納米催化劑的設(shè)計(jì)中兼顧催化劑尺寸的超細(xì)小以及卓越的穩(wěn)定性。

 

 

 

近日，內(nèi)蒙古科技大學(xué)安勝利教授（第一通訊作者）和澳大利亞西澳大學(xué)楊虹教授（共同通訊作者）等人報(bào)道了一項(xiàng)關(guān)于在實(shí)際燃料電池工況下，高耐久性Ba摻雜LSCF（La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ）正極材料的研制。通過Ba摻雜LSCF陰極構(gòu)建的對(duì)稱電池在3%的加濕空氣中800℃下暴露于Fe-Cr合金測試120h后，電池的極化電阻仍然很低（0.06 Ωcm2）。而未摻雜的LSCF經(jīng)過Cr暴露測試后，電池的極化電阻從原始電池的0.22 Ωcm2增加到2.18 Ωcm2，增加了約10倍。此外，在750℃的典型SOCF操作條件下，陽極支撐的完整電池進(jìn)行測試時(shí)，摻雜Ba的LSCF陰極具有顯著的低降解率，且降解率分別為0.00056% h−1（無Cr）和0.00310% h−1（有 Cr），兩者都遠(yuǎn)低于使用未摻雜LSCF陰極的電池（無Cr的0.00124% h−1和有Cr的0.01082% h−1）。與未摻雜的LSCF相比，摻雜Ba的LSCF陰極所表現(xiàn)出的耐久性和耐鉻性的增強(qiáng)源于其更高的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更好的化學(xué)耐受性。研究成果以題為“Improved Durability of High-performance Intermediate-temperature Solid Oxide Fuel Cells with Ba-doped La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ Cathode”發(fā)布在國際著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。博士研究生謝滿意為第一作者，蔡長焜博士為共同一作。

 

 

近日，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授、卡耐基梅隆大學(xué)Shawn Litster、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室David A. Cullen、印第安納大學(xué)與普渡大學(xué)印第安納波利斯聯(lián)合分校謝建教授、匹茲堡大學(xué)王國峰教授和阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Deborah J. Myers（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種Fe-N-C催化劑，通過工程設(shè)計(jì)FeN4位點(diǎn)的C結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境，其不僅具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，而且保持了足夠高的活性。由ZIF-8前驅(qū)體制備的封裝Fe2O3納米顆粒的Fe-N-C催化劑，經(jīng)高溫氯化氨（NH4Cl）臨界處理后的碳結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量缺陷；再利用化學(xué)氣相沉積（CVD）在NH4Cl處理的Fe-N-C催化劑上沉積N-摻雜碳薄層，提高了穩(wěn)定性。盡管初始活性相對(duì)較低，但是膜電極組件（MEA）中的CVD涂層催化劑在相同的加速應(yīng)力測試（AST）后仍保持與Pt/C催化劑相當(dāng)?shù)男阅堋?shí)驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，該Fe-N-C催化劑在0.67 V下可以穩(wěn)定運(yùn)行超過300 h。該工作改進(jìn)代表了開發(fā)可行的Fe-N-C催化劑以克服氫燃料電池在眾多應(yīng)用中的成本障礙的關(guān)鍵一步。研究成果以題為“Atomically dispersed iron sites with a nitrogen-carbon coating as highly active and durable oxygen reduction catalysts for fuel cells”發(fā)布在國際著名期刊Nature Energy上。

 

 

 

近日，香港科技大學(xué)邵敏華教授、南方科技大學(xué)谷猛教授和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Khalil Amine（共同通訊作者）等人報(bào)道了一種由原子分散的Pt和Fe單原子以及Pt-Fe合金納米顆粒組成的混合電催化劑。燃料電池性能測試表明，該電催化劑的Pt質(zhì)量活性比商用Pt/C的高3.7倍。更重要的是，即使陰極中Pt負(fù)載量降低至0.015 mgPt cm-2時(shí)，該燃料電池顯示出優(yōu)異的耐久性，在100000次循環(huán)后仍具有97%的活性保持率，并且在0.6 V下運(yùn)行超過200 h后沒有明顯的電流衰減。這些結(jié)果突出了混合電催化劑中活性位點(diǎn)之間協(xié)同效應(yīng)的重要性，并為設(shè)計(jì)用于電化學(xué)器件的更活潑、更耐用的低Pt基電催化劑提供了一種新方法。研究成果以題為“Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt-Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells”發(fā)布在國際著名期刊Nature Catalysis上。

 

 

 

今日，美國愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室丁冬教授和吳巍研究員，麻省理工學(xué)院李巨教授和Yanhao Dong（共同通訊作者）提出了一種酸處理策略，在與氧電極結(jié)合之前恢復(fù)高溫退火的電解質(zhì)表面，證明了其可以完全恢復(fù)電化學(xué)電池中的理論質(zhì)子電導(dǎo)率，并明顯提高電池性能以及熱機(jī)械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，降低的電池阻抗提高了PCEC和PCFC的全電池性能。在1.4 V和600℃下 10分鐘酸處理的電池中顯示出比未經(jīng)處理的電池增加2.8倍，電流密度達(dá)到3.07 A cm-2。此外，與未處理的電池相比，10分鐘處理的電池表現(xiàn)出更高的法拉第效率和H2產(chǎn)率。在 PCFC 中，相同電壓下處理過的電池中的電流密度（正）也更高。在10分鐘處理的電池中，在600℃下峰值功率密度Pmax比未處理的電池增加了2.5倍，達(dá)到1.18 W cm-2。同樣，經(jīng)過10分鐘處理的電池在整個(gè)研究溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出最好的電化學(xué)性能。除了陶瓷燃料電池之外，界面工程和專門設(shè)計(jì)的加工技術(shù)對(duì)其他電化學(xué)材料和設(shè)備也至關(guān)重要，例如鋰離子電池的氧化物正極，全固態(tài)電池和金屬-陶瓷界面。