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南科大李辉团队在《自然能源》发表燃料电池膜电极综述文章

2021-07-12

       近日,南方科技大学材料科学与工程系讲席教授李辉团队在《自然能源》(Nature Energy)以“建立质子交换膜燃料电池高活性氧还原反应催化剂与高效催化层之间桥梁关系(Bridging the gap between highly active oxygen reduction reaction catalysts and effective catalyst layers for proton exchange membrane fuel)”为题发表综述文章,阐明了现阶段催化剂三电极(RDE)测试评价参数集成到燃料电池核心组件膜电极过程中的内在局限性,讨论了低铂膜电极催化层及其层间界面结构对电极内部气液传质的影响规律。

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       发展车用氢能产业,推动质子交换膜燃料电池(PEMFC)汽车示范运行规模,是实现低碳减排的重要途径,对实现2030年碳达峰及2060年碳中和的目标具有重要意义。高活性高稳定性铂基催化剂,低铂高效催化层是降低PEMFC成本、加速其商业化的关键。经过数十年的研究,现阶段多种纳米结构铂基催化剂已实现质量比活性和面积比活性的大幅提升,但相关评价参数主要为三电极(RDE)测试数据,集成到膜电极(MEA)中对应性能并未获得实质同等幅度提升。(图1)

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图1.质子交换膜燃料电池催化剂在三电极(RDE)和膜电极(MEA)中的性能评估对比

       在此基础上,文章论述了在实现催化剂本征活性提升的基础上,如何进一步构建低铂高效膜电极。膜电极由气体扩散层(GDL)、催化层(CL)和质子交换膜(PEM)构成,是多相物质传输和电化学反应场所。相较于阳极氢的快速氧化,阴极催化层高铂载量、缓慢的氧还原电催化动力学特性及氧气传质困难等已经成为膜电极成本、性能和寿命的关键限制因素。传统氧电极催化层是由全氟磺酸树脂离聚物(ionomer)粘连铂/碳催化剂颗粒堆叠而成的微-纳多孔结构电极,有效的电催化反应活性位点需具备稳定的气-固-液三相界面。低铂高效催化层的关键是优化离聚物的分布,降低局域氧传输阻力,当前主要的优化策略主要开发高比表面积实心/多空碳载体、碳载体表面官能团化、Pt表面分子掩膜疏水化以及浆料分散溶剂的选择。其次,气体扩散层、质子交换膜与催化层之间的层间界面结构对膜电极性能与稳定性也具有重要影响。传统电极制备获得的二维PEM/CL界面结构正向三维工程界面转变,现阶段膜表面图案化、多孔膜设计和直接膜沉积技术已取得初步优化效果。气体扩散层的微孔层(MPL)与催化层之间的界面对总传质阻力也起着重要的作用。多孔结构表面粗糙度和开裂的性质在不均匀压缩下,层间的不完全接触易导致界面上形成间隙,增加欧姆阻抗的同时也易引起内部积水阻碍氧气传输。(图2)

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图2.质子交换膜燃料电池膜电极内部传质阻力的来源

       鉴于三电极和膜电极性能测试结果之间催化性能的差异,同时三电极测试也无法有效表征实际电极内部的传质阻抗,应在催化剂开发过程中采用中间测试技术,以评估低电流密度和高电流密度区域的活性,提出了悬浮电极技术(Floating electrode technique, FET)和半电池气体扩散电极技术(Gas-diffusion electrode technique, GDE)。悬浮电极技术方法是催化剂通过真空过滤法直接沉积在亲水性镀金多孔基底上,在形态和厚度方面产生更可重复的催化层。半电池气体扩散电极技术是将膜电极实际制备中的GDE或CCM电极用作测试评价单元,更接近实际质子交换膜燃料电池的运行条件。针对上述四种测试评价方法在催化剂测试评价用量、方便性、本征催化活性、电极实际催化活性及传质阻抗等方面进行综合对比,为更准确快速评价催化剂性能提供了有利参考依据。(图3)

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图3.三电极、膜电极、悬浮电极技术和半电池气体扩散电极技术测试装置对比

       李辉为本论文通讯作者,前沿与交叉科学研究院研究副教授樊建涛为本文第一作者,南科大是论文第一单位。相关研究工作获国家重点研发计划、广东省电驱动力能源材料重点实验室、深圳市氢能重点实验室、深圳市自然科学基金及深圳市可持续发展科技专项资金的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-021-00824-7

 

来源:南科大新闻网

通讯员:周斌

编辑:胡龙腾