燃料電池近期研究成果匯總

 

離子液體是聚合物電解質燃料電池催化劑層中用于增強氧還原反應的一種很有前景的添加劑。然而，需要對其在實際相關膜電極組裝環境中復雜催化劑層中的作用有基本的了解，以便合理設計高耐用活性的鉑基催化劑。近日，美國加州大學Iryna V. Zenyuk課題組探索了三種高質子導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和電化學性能之間的相關性，為離子液體在改變催化劑層界面內親水性/疏水性相互作用方面的作用提供了直接證據。通過優化界面設計得到的催化劑在H2/O2，0.9V下質量活性達到了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，經過30 k加速應力測試循環后，只有0.11 V的電位下降。這種性能歸功于ILs的加入， 使得埋在孔內的鉑的可達，從而大幅提高鉑利用率。

 

相關成果以“Revealing the role of ionic liquids in promoting fuel cell catalysts reactivity and durability”為題發表在國際頂級期刊Nature Communications上。

 

 

 

近日，伊利師范大學與北京科技大學環境與能源納米材料交叉團隊合作報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、鐵和鈷鹽前驅體溶液、熱解及原位混合過程制得。這種納米纖維基導線材料具有三維多孔結構和較大的比表面積，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效應可以調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電性，降低電荷轉移內阻。基于以上優點，將中空鈷鐵氧體納米纖維耦合碳納米管應用于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的產電性能。最大輸出功率達到了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，本研究為構筑陽極界面結構以提高MFC整體性能提供了一種新思路。相關成果以“Hollow cobalt ferrite nanofibers integrating with carbon nanotubes as microbial fuel cell anode for boosting extracellular electron transfer”發表在知名期刊Applied Surface Science上。北京科技大學博士研究生劉遠峰為第一作者，周光明教授和李從舉教授為論文共同通訊作者。

 

 

 

PGM催化劑的本征質量活性（MA）由比面積活性（SA）和電化學表面積（ECSA）決定。一方面，提高PGM催化劑的SA，即通過提高單個活性位點的轉換頻率（TOF），可以在超低PGM負載量的情況下確保整個燃料電池裝置的高催化活性。然而TOF的提升無疑會增加物質輸運的壓力，因為這意味需要向單個活性位點更快地傳輸反應物同時更快地移走產物。快速的傳質也會加快Pt原子的溶解，造成催化劑在PEMFC運轉過程中加速失活。同時，膜電極（MEA）中氧氣傳輸的阻礙與催化位點的數目成反比，在超低PGM負載量的情況下活性位點的數目已處于極限狀態，少量催化劑的性能下降（由催化劑顆粒聚集和由Ostwald熟化導致的催化劑顆粒增大從而使燃料電池內位點減少）就會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，構造超細小的納米催化劑，使其具有高的ECSA，也是解決超低PGM負載時催化活性受限問題的一個思路。然而，具有高的表面積-體積比的超細小納米顆粒在在熱力學上是亞穩定的，使得納米顆粒傾向于通過物理聚集或者Ostwald熟化過程發生顯著的長大，這會造成ECSA以及MA的逐步損失，穩定性難以滿足要求。因此超低PGM負載的PEMFCs的長程穩定性的實現面臨十分嚴峻的挑戰，這要求在納米催化劑的設計中兼顧催化劑尺寸的超細小以及卓越的穩定性。

 

 

 

近日，內蒙古科技大學安勝利教授（第一通訊作者）和澳大利亞西澳大學楊虹教授（共同通訊作者）等人報道了一項關于在實際燃料電池工況下，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陰極構建的對稱電池在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行測試時，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陰極所表現出的耐久性和耐鉻性的增強源于其更高的晶體結構穩定性和更好的化學耐受性。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，美國紐約州立大學布法羅分校武剛教授、卡耐基梅隆大學Shawn Litster、橡樹嶺國家實驗室David A. Cullen、印第安納大學與普渡大學印第安納波利斯聯合分校謝建教授、匹茲堡大學王國峰教授和阿貢國家實驗室Deborah J. Myers（共同通訊作者）等人報道了一種Fe-N-C催化劑，通過工程設計FeN4位點的C結構和配位環境，其不僅具有優異的穩定性，而且保持了足夠高的活性。由ZIF-8前驅體制備的封裝Fe2O3納米顆粒的Fe-N-C催化劑，經高溫氯化氨（NH4Cl）臨界處理后的碳結構出現大量缺陷；再利用化學氣相沉積（CVD）在NH4Cl處理的Fe-N-C催化劑上沉積N-摻雜碳薄層，提高了穩定性。盡管初始活性相對較低，但是膜電極組件（MEA）中的CVD涂層催化劑在相同的加速應力測試（AST）后仍保持與Pt/C催化劑相當的性能。實驗測試發現，該Fe-N-C催化劑在0.67 V下可以穩定運行超過300 h。該工作改進代表了開發可行的Fe-N-C催化劑以克服氫燃料電池在眾多應用中的成本障礙的關鍵一步。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”發布在國際著名期刊Nature Energy上。

 

 

 

近日，香港科技大學邵敏華教授、南方科技大學谷猛教授和美國阿貢國家實驗室Khalil Amine（共同通訊作者）等人報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負載量降低至0.015 mgPt cm-2時，該燃料電池顯示出優異的耐久性，在100000次循環后仍具有97%的活性保持率，并且在0.6 V下運行超過200 h后沒有明顯的電流衰減。這些結果突出了混合電催化劑中活性位點之間協同效應的重要性，并為設計用于電化學器件的更活潑、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”發布在國際著名期刊Nature Catalysis上。

 

 

 

今日，美國愛達荷國家實驗室丁冬教授和吳巍研究員，麻省理工學院李巨教授和Yanhao Dong（共同通訊作者）提出了一種酸處理策略，在與氧電極結合之前恢復高溫退火的電解質表面，證明了其可以完全恢復電化學電池中的理論質子電導率，并明顯提高電池性能以及熱機械性能和電化學穩定性。結果表明，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處理的電池增加2.8倍，電流密度達到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出更高的法拉第效率和H2產率。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，達到1.18 W cm-2。同樣，經過10分鐘處理的電池在整個研究溫度范圍內均表現出最好的電化學性能。除了陶瓷燃料電池之外，界面工程和專門設計的加工技術對其他電化學材料和設備也至關重要，例如鋰離子電池的氧化物正極，全固態電池和金屬-陶瓷界面。