基于非贵金属氧还原催化剂的质子交换膜燃料电池性能
发布时间：2021-11-03 15:12
质子交换膜燃料电池的成本和寿命问题是制约其商业化的主要瓶颈.开发高效稳定的新型非铂氧还原催化剂是降低电池成本的重要途径.过渡金属-氮-碳型非贵金属催化剂具有较高催化活性、资源丰富、价格低廉等优点,被认为是未来最有希望替代铂的氧还原催化剂.本综述从催化剂的设计构筑、催化层结构优化以及电池测试等方面,对过渡金属-氮-碳型非贵金属催化剂的国内外最新研究进展进行了重点讨论,并对未来其发展趋势提出展望.
【文章来源】：电化学. 2020,26(04)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
Zn(mIm)2Fe(Ac)2(Phen)6,Zn(mIm)2Fe(Ac)2和Zn(mIm)2TPI的(A)电压-电流密度极化曲线和(B)功率-电流极化曲线[22].(C)Zn(Im)2,Zn(mIm)2TPIP,Zn(elm)2TPIP和Zn(4abIm)2TPIP的电压-电流密度极化曲线[23].
图1 Zn(mIm)2Fe(Ac)2(Phen)6,Zn(mIm)2Fe(Ac)2和Zn(mIm)2TPI的(A)电压-电流密度极化曲线和(B)功率-电流极化曲线[22].(C)Zn(Im)2,Zn(mIm)2TPIP,Zn(elm)2TPIP和Zn(4abIm)2TPIP的电压-电流密度极化曲线[23].除了催化剂分浆液，催化层的制备工艺同样也影响膜电极的性能.目前催化层的制备主要有三种方法，分别是直接刷或喷到气体扩散层(常用的是Sigracet 25 BC)[10,22,24,36,38,42,44,47-48]或质子膜上[30,39-41,49]或先喷涂到PTFE膜上再转印到质子膜上[11,34,37].催化剂浓浆直接刷涂到气体扩散层的方法较为普遍，但是在热压到质子膜时需要先对催化层表面进行修平，防止热压过程中催化层的凸起破坏质子交换膜.由于气体扩散层存在一定的孔隙结构，催化剂浓浆有可能堵塞扩散层孔隙，影响气体的传输.将催化剂浆料刷（喷）到质子膜上可以简化热压步骤，同时加强催化层与膜之间的相互接触减少传输阻力，但需要特殊的夹具设计避免质子膜的在接触浓浆时发生膨胀和变形.将催化剂间接喷涂在PTFE基底上可以使得催化剂分散相对均匀，但将催化层转印到质子膜的过程中会造成一部分未成功转印的催化剂损失，且相比前两种方法多一步热压过程，容易造成催化剂层孔洞结构的崩塌.综上所述，目前还未有定论何种催化层制备方法最适合非贵金属催化剂，仍需要系统研究.
为了改善催化层过厚所引发的性能提升瓶颈和耐久性问题，今后需要在以下几个方面进行深入系统研究：1）非贵金属催化剂的设计构筑不仅需要提升其单位体积的活性位点密度，还应着眼于调控催化剂的孔隙结构和表面的亲疏水特性，以提升活性位点的有效利用率；2）优化催化剂浆料组成和催化剂分散状态以及膜电极制备工艺的同时，应结合先进的表征技术深入研究催化层内催化剂和离聚物在三维尺度上的分布状态，最大化三相反应界面、完善水管理,提升反应过程中的氧气传输和质子传输效率，减小电极欧姆极化和浓差极化，只有这样非贵金属催化剂的性能才能在整个电流密度区间与Pt基催化剂匹敌；3）目前，非贵金属催化剂面临的最大挑战是耐久性问题，关于其衰减机制的研究需要更加全面地进行，结合实际燃料电池运行条件，综合评估催化剂活性位点、碳骨架以及催化层的稳定性，从而寻找到有效的应对策略.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-N共掺杂的碳纳米管串联空心球对氧还原反应的电催化[J]. 张雅琳,陈驰,邹亮亮,邹志青,杨辉. 电化学. 2018(06)
[2]基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的抗团聚高效氧还原电催化剂[J]. 修陆洋,于梦舟,杨鹏举,王治宇,邱介山. 电化学. 2018(06)
[3]燃料电池非铂基氧还原电催化剂的最新研究进展[J]. 宋平,阮明波,刘京,冉光钧,徐维林. 电化学. 2015(02)
本文编号：3473909
【文章来源】：电化学. 2020,26(04)北大核心CSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
Zn(mIm)2Fe(Ac)2(Phen)6,Zn(mIm)2Fe(Ac)2和Zn(mIm)2TPI的(A)电压-电流密度极化曲线和(B)功率-电流极化曲线[22].(C)Zn(Im)2,Zn(mIm)2TPIP,Zn(elm)2TPIP和Zn(4abIm)2TPIP的电压-电流密度极化曲线[23].
图1 Zn(mIm)2Fe(Ac)2(Phen)6,Zn(mIm)2Fe(Ac)2和Zn(mIm)2TPI的(A)电压-电流密度极化曲线和(B)功率-电流极化曲线[22].(C)Zn(Im)2,Zn(mIm)2TPIP,Zn(elm)2TPIP和Zn(4abIm)2TPIP的电压-电流密度极化曲线[23].除了催化剂分浆液，催化层的制备工艺同样也影响膜电极的性能.目前催化层的制备主要有三种方法，分别是直接刷或喷到气体扩散层(常用的是Sigracet 25 BC)[10,22,24,36,38,42,44,47-48]或质子膜上[30,39-41,49]或先喷涂到PTFE膜上再转印到质子膜上[11,34,37].催化剂浓浆直接刷涂到气体扩散层的方法较为普遍，但是在热压到质子膜时需要先对催化层表面进行修平，防止热压过程中催化层的凸起破坏质子交换膜.由于气体扩散层存在一定的孔隙结构，催化剂浓浆有可能堵塞扩散层孔隙，影响气体的传输.将催化剂浆料刷（喷）到质子膜上可以简化热压步骤，同时加强催化层与膜之间的相互接触减少传输阻力，但需要特殊的夹具设计避免质子膜的在接触浓浆时发生膨胀和变形.将催化剂间接喷涂在PTFE基底上可以使得催化剂分散相对均匀，但将催化层转印到质子膜的过程中会造成一部分未成功转印的催化剂损失，且相比前两种方法多一步热压过程，容易造成催化剂层孔洞结构的崩塌.综上所述，目前还未有定论何种催化层制备方法最适合非贵金属催化剂，仍需要系统研究.
为了改善催化层过厚所引发的性能提升瓶颈和耐久性问题，今后需要在以下几个方面进行深入系统研究：1）非贵金属催化剂的设计构筑不仅需要提升其单位体积的活性位点密度，还应着眼于调控催化剂的孔隙结构和表面的亲疏水特性，以提升活性位点的有效利用率；2）优化催化剂浆料组成和催化剂分散状态以及膜电极制备工艺的同时，应结合先进的表征技术深入研究催化层内催化剂和离聚物在三维尺度上的分布状态，最大化三相反应界面、完善水管理,提升反应过程中的氧气传输和质子传输效率，减小电极欧姆极化和浓差极化，只有这样非贵金属催化剂的性能才能在整个电流密度区间与Pt基催化剂匹敌；3）目前，非贵金属催化剂面临的最大挑战是耐久性问题，关于其衰减机制的研究需要更加全面地进行，结合实际燃料电池运行条件，综合评估催化剂活性位点、碳骨架以及催化层的稳定性，从而寻找到有效的应对策略.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-N共掺杂的碳纳米管串联空心球对氧还原反应的电催化[J]. 张雅琳,陈驰,邹亮亮,邹志青,杨辉. 电化学. 2018(06)
[2]基于内嵌钴/氮掺杂多孔碳三维石墨烯笼的抗团聚高效氧还原电催化剂[J]. 修陆洋,于梦舟,杨鹏举,王治宇,邱介山. 电化学. 2018(06)
[3]燃料电池非铂基氧还原电催化剂的最新研究进展[J]. 宋平,阮明波,刘京,冉光钧,徐维林. 电化学. 2015(02)
本文编号：3473909
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