燃料电池近期研究成果汇总

 

离子液体是聚合物电解质燃料电池催化剂层中用于增强氧还原反应的一种很有前景的添加剂。然而，需要对其在实际相关膜电极组装环境中复杂催化剂层中的作用有基本的了解，以便合理设计高耐用活性的铂基催化剂。近日，美国加州大学Iryna V. Zenyuk课题组探索了三种高质子导电性和氧溶解度咪唑衍生的离子液体，将它们加入高表面积的炭黑载体中。揭示了离子液体改性催化剂的物理性质和电化学性能之间的相关性，为离子液体在改变催化剂层界面内亲水性/疏水性相互作用方面的作用提供了直接证据。通过优化界面设计得到的催化剂在H2/O2，0.9V下质量活性达到了347 A g−1Pt，在1.5 bar H2/air条件下，功率密度为0.909 W cm−2。在0.8 A cm−2条件下，经过30 k加速应力测试循环后，只有0.11 V的电位下降。这种性能归功于ILs的加入， 使得埋在孔内的铂的可达，从而大幅提高铂利用率。

 

相关成果以“Revealing the role of ionic liquids in promoting fuel cell catalysts reactivity and durability”为题发表在国际顶级期刊Nature Communications上。

 

 

 

近日，伊利师范大学与北京科技大学环境与能源纳米材料交叉团队合作报道了一种中空钴铁氧体纳米纤维耦合碳纳米管纳米纤维基导线材料，该材料主要通过电纺聚乙烯吡咯烷酮、铁和钴盐前驱体溶液、热解及原位混合过程制得。这种纳米纤维基导线材料具有三维多孔结构和较大的比表面积，可为微生物的附着提供较大的空间。另外，中空钴铁氧体纳米纤维中的钴和铁离子的变化合价效应可以调控微生物种间电子传输，碳纳米管可以改善钴铁氧体纳米纤维表面的导电性，降低电荷转移内阻。基于以上优点，将中空钴铁氧体纳米纤维耦合碳纳米管应用于MFC阳极，显著提升了阳极表面微生物的含量、阳极比电容、及MFC的产电性能。最大输出功率达到了2290 mW m−2，约是纯碳布阳极的4.6倍。较高的输出功率可为电子器件供电，本研究为构筑阳极界面结构以提高MFC整体性能提供了一种新思路。相关成果以“Hollow cobalt ferrite nanofibers integrating with carbon nanotubes as microbial fuel cell anode for boosting extracellular electron transfer”发表在知名期刊Applied Surface Science上。北京科技大学博士研究生刘远峰为第一作者，周光明教授和李从举教授为论文共同通讯作者。

 

 

 

PGM催化剂的本征质量活性（MA）由比面积活性（SA）和电化学表面积（ECSA）决定。一方面，提高PGM催化剂的SA，即通过提高单个活性位点的转换频率（TOF），可以在超低PGM负载量的情况下确保整个燃料电池装置的高催化活性。然而TOF的提升无疑会增加物质输运的压力，因为这意味需要向单个活性位点更快地传输反应物同时更快地移走产物。快速的传质也会加快Pt原子的溶解，造成催化剂在PEMFC运转过程中加速失活。同时，膜电极（MEA）中氧气传输的阻碍与催化位点的数目成反比，在超低PGM负载量的情况下活性位点的数目已处于极限状态，少量催化剂的性能下降（由催化剂颗粒聚集和由Ostwald熟化导致的催化剂颗粒增大从而使燃料电池内位点减少）就会造成氧气传输阻碍的显著提高，最终造成显著的性能降低。另一方面，减少催化剂的尺寸，构造超细小的纳米催化剂，使其具有高的ECSA，也是解决超低PGM负载时催化活性受限问题的一个思路。然而，具有高的表面积-体积比的超细小纳米颗粒在在热力学上是亚稳定的，使得纳米颗粒倾向于通过物理聚集或者Ostwald熟化过程发生显著的长大，这会造成ECSA以及MA的逐步损失，稳定性难以满足要求。因此超低PGM负载的PEMFCs的长程稳定性的实现面临十分严峻的挑战，这要求在纳米催化剂的设计中兼顾催化剂尺寸的超细小以及卓越的稳定性。

 

 

 

近日，内蒙古科技大学安胜利教授（第一通讯作者）和澳大利亚西澳大学杨虹教授（共同通讯作者）等人报道了一项关于在实际燃料电池工况下，高耐久性Ba掺杂LSCF（La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ）正极材料的研制。通过Ba掺杂LSCF阴极构建的对称电池在3%的加湿空气中800℃下暴露于Fe-Cr合金测试120h后，电池的极化电阻仍然很低（0.06 Ωcm2）。而未掺杂的LSCF经过Cr暴露测试后，电池的极化电阻从原始电池的0.22 Ωcm2增加到2.18 Ωcm2，增加了约10倍。此外，在750℃的典型SOCF操作条件下，阳极支撑的完整电池进行测试时，掺杂Ba的LSCF阴极具有显著的低降解率，且降解率分别为0.00056% h−1（无Cr）和0.00310% h−1（有 Cr），两者都远低于使用未掺杂LSCF阴极的电池（无Cr的0.00124% h−1和有Cr的0.01082% h−1）。与未掺杂的LSCF相比，掺杂Ba的LSCF阴极所表现出的耐久性和耐铬性的增强源于其更高的晶体结构稳定性和更好的化学耐受性。研究成果以题为“Improved Durability of High-performance Intermediate-temperature Solid Oxide Fuel Cells with Ba-doped La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ Cathode”发布在国际著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。博士研究生谢满意为第一作者，蔡长焜博士为共同一作。

 

 

近日，美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授、卡耐基梅隆大学Shawn Litster、橡树岭国家实验室David A. Cullen、印第安纳大学与普渡大学印第安纳波利斯联合分校谢建教授、匹兹堡大学王国峰教授和阿贡国家实验室Deborah J. Myers（共同通讯作者）等人报道了一种Fe-N-C催化剂，通过工程设计FeN4位点的C结构和配位环境，其不仅具有优异的稳定性，而且保持了足够高的活性。由ZIF-8前驱体制备的封装Fe2O3纳米颗粒的Fe-N-C催化剂，经高温氯化氨（NH4Cl）临界处理后的碳结构出现大量缺陷；再利用化学气相沉积（CVD）在NH4Cl处理的Fe-N-C催化剂上沉积N-掺杂碳薄层，提高了稳定性。尽管初始活性相对较低，但是膜电极组件（MEA）中的CVD涂层催化剂在相同的加速应力测试（AST）后仍保持与Pt/C催化剂相当的性能。实验测试发现，该Fe-N-C催化剂在0.67 V下可以稳定运行超过300 h。该工作改进代表了开发可行的Fe-N-C催化剂以克服氢燃料电池在众多应用中的成本障碍的关键一步。研究成果以题为“Atomically dispersed iron sites with a nitrogen-carbon coating as highly active and durable oxygen reduction catalysts for fuel cells”发布在国际著名期刊Nature Energy上。

 

 

 

近日，香港科技大学邵敏华教授、南方科技大学谷猛教授和美国阿贡国家实验室Khalil Amine（共同通讯作者）等人报道了一种由原子分散的Pt和Fe单原子以及Pt-Fe合金纳米颗粒组成的混合电催化剂。燃料电池性能测试表明，该电催化剂的Pt质量活性比商用Pt/C的高3.7倍。更重要的是，即使阴极中Pt负载量降低至0.015 mgPt cm-2时，该燃料电池显示出优异的耐久性，在100000次循环后仍具有97%的活性保持率，并且在0.6 V下运行超过200 h后没有明显的电流衰减。这些结果突出了混合电催化剂中活性位点之间协同效应的重要性，并为设计用于电化学器件的更活泼、更耐用的低Pt基电催化剂提供了一种新方法。研究成果以题为“Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt-Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells”发布在国际著名期刊Nature Catalysis上。

 

 

 

今日，美国爱达荷国家实验室丁冬教授和吴巍研究员，麻省理工学院李巨教授和Yanhao Dong（共同通讯作者）提出了一种酸处理策略，在与氧电极结合之前恢复高温退火的电解质表面，证明了其可以完全恢复电化学电池中的理论质子电导率，并明显提高电池性能以及热机械性能和电化学稳定性。结果表明，降低的电池阻抗提高了PCEC和PCFC的全电池性能。在1.4 V和600℃下 10分钟酸处理的电池中显示出比未经处理的电池增加2.8倍，电流密度达到3.07 A cm-2。此外，与未处理的电池相比，10分钟处理的电池表现出更高的法拉第效率和H2产率。在 PCFC 中，相同电压下处理过的电池中的电流密度（正）也更高。在10分钟处理的电池中，在600℃下峰值功率密度Pmax比未处理的电池增加了2.5倍，达到1.18 W cm-2。同样，经过10分钟处理的电池在整个研究温度范围内均表现出最好的电化学性能。除了陶瓷燃料电池之外，界面工程和专门设计的加工技术对其他电化学材料和设备也至关重要，例如锂离子电池的氧化物正极，全固态电池和金属-陶瓷界面。