质子交换膜燃料电池铂基催化剂研究进展北大核心CSCD

燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有能量密度高、利用率高、清洁安静等优点。在不同类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)不仅能量密度高,而且具有在近常温条件下工作的特点,因此受到广泛关注。目前,商业化PEMFC仍采用铂基纳米材料作为催化剂,其中缺乏低成本、高效的阴极催化剂是限制PEMFC性能提升和成本降低的关键因素之一。本文综述PEMFC催化剂的结构可控制备及其对阴极氧还原反应和膜电极性能的影响,阐述调控催化剂结构提高PEMFC性能的方法,特别是提高贵金属催化剂的利用率,降低膜电极中贵金属用量的研究进展。     

质子交换膜燃料电池Pt纳米线电催化剂研究现状

质子交换膜燃料电池(PEMFC)能直接将化学能转换为电能,具有能量转换效率高、环境友好、启动快等优点.其中电催化剂是决定PEMFC性能、寿命及成本的关键材料之一.目前所采用的Pt催化剂成本较高,是阻碍其商业化的主要因素.而Pt纳米线电催化剂的Pt利用率和催化剂活性高,抗CO毒性以及耐久性好.本文综述了Pt纳米线电催化剂的制备及其电化学催化性能的研究现状.     

聚苯胺修饰Pt/C催化剂对质子交换膜燃料电池动态响应的促进作用

将超级电容器材料聚苯胺引入电极催化剂中以缓冲燃料电池负载的变化.以硫酸为掺杂剂,将化学法合成的聚苯胺(PANI)与Pt/C超声分散混合,制成PANI-Pt/C催化剂.PANI-Pt/C的循环伏安测试和作为质子交换膜燃料电池阴极电催化剂的电池性能测试表明,PANI含量为10%时能够提高Pt/C催化剂对氧的还原动力学速度和燃料电池放电性能.电池在不同电流负载下的电压动态响应和对电池脉冲电流的动态响应以及PANI-Pt/C催化剂多电位电势阶跃计时电流测试显示,聚苯胺在催化剂中具有在瞬间电流负载时缓冲电池电压和电池大电流放电时平稳电压的作用.     

Pt/C-RuO2催化剂对提高质子交换膜燃料电池动态响应性能的作用

通过溶胶混合法将超级电容器材料RuO2负载到Pt/C上,制成了Pt/C-RuO2催化剂,并用这种催化剂组装成质子交换膜燃料电池(PEMFC)单电池,测试了其循环伏安曲线和多电位阶跃计时电流.结果表明,加入RuO2之后,催化剂的双电层电容明显增大.单电池的放电曲线测试结果表明,在加入少量RuO2(w≤8%)的情况下,单电池的性能略有降低.通过单电池在不同电流下电压动态响应和对脉冲电流的动态响应测试,表明在加入RuO2之后,单电池电压的瞬间衰减明显减缓.这说明RuO2具有在瞬间加大电流负载时缓冲电池电压的作用,即以Pt/C-RuO2为催化剂的PEMFC单电池的动态响应性能大幅度提高.     

质子交换膜燃料电池中的电化学催化

系统介绍了重庆大学在质子交换膜燃料电池(PEMFC)电化学催化方面的研究工作.指出PEMFC成流过程中造成电池性能衰减及寿命短与催化剂和膜电极(MEA)相关的主要因素有:催化剂在载体表面迁移、聚结、溶解,随同载体腐蚀一并流失,催化剂中毒,MEA催化层水淹导致反应气体短缺而引起的"负差效应"以及小分子有机物缓慢的氧化动力学.重庆大学燃料电池研究小组近年来从分子模拟机理出发,结合实验求证,探索制备高活性、高稳定性、高催化剂利用率、抗溺水性电极的方法、技术和手段,为提高催化剂的寿命和利用率,降低催化剂成本,寻求可行的解决办法.     

全酶型乙醇/氧气生物燃料电池的构筑及性能研究

本文以乙醇脱氢酶（ADH）和胆红素氧化酶（BOD）为生物催化剂,以碳纳米管为电极材料,构筑了全酶型乙醇/氧气生物燃料电池. 将乙醇脱氢酶负载于单壁碳纳米管（SWCNT）上,采用亚甲基绿（MG）为NADH的电化学催化剂,实现乙醇的生物电化学催化氧化,制备了生物燃料电池ADH/MG/SWCNT/GC的电极（阳极）. 同时,将胆红素氧化酶固定于单壁碳纳米管上,通过其直接电子转移,实现了氧气的生物电化学催化还原,制得生物燃料电池的BOD/SWCNT/GC阴极. 据此构筑了全酶型的无膜生物燃料电池,在空气饱和40 mmol·L^-1乙醇磷酸缓冲溶液中该电池开路电压为0.53 V,最大输出功率密度为11 μW·cm^-2. 以商品化伏特酒作为燃料,该生物燃料电池最大输出功率为3.7 μW·cm^-2.     

后处理技术提升燃料电池催化剂稳定性

燃料电池属于一种可再生的新能源技术,不经过热机过程,不受卡诺循环限制,通过电极和电解质界面的化学反应直接将燃料的化学能转化为电能,所以能量转化效率高,且没有噪声和污染。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是燃料电池中应用最广泛的一类,但PEMFC仍然存在一些问题,如成本高、功率密度低和催化剂稳定性差等。因此实现质子交换膜燃料电池大规模应用,研究开发高活性和高稳定性的催化剂是重中之重。针对燃料电池催化剂高活性和高稳定性的要求,本文综述了燃料电池催化剂的研究进展和性能改进方法。从活性组分和载体两个角度对提升燃料电池稳定性的方法展开论述。通过减小活性组分颗粒的直径、制备具有特定取向表面的铂颗粒、铂与过渡金属的合金化、载体的改性等方式来改善催化剂的性能。最后提出了燃料电池催化剂未来的发展方向以及在实际应用过程中面临的主要问题。     

具有经济性的碱性膜燃料电池氢气氧化反应催化剂（英文）

燃料电池是一种清洁高效的能量转换装置,可将储存在燃料中的化学能直接转化为电能。在过去的几十年中,燃料电池的开发取得了重大进展。聚合物电解质燃料电池,尤其是以质子交换膜燃料电池(PEMFC)为代表,可以实现高效率、高功率密度、快速启动,因而受到了广泛的关注。然而,PEMFC因使用昂贵的Pt基催化剂而导致成本较高,阻碍了其大规模的应用。近年来发展的碱性膜燃料电池(HEMFC)与PEMFC结构相似,但使用可传导氢氧根离子的聚合物电解质,并提供碱性工作环境。HEMFC由于具有使用非Pt电催化剂和较便宜双极板的可能性而备受关注。然而,HEMFC的一个巨大的挑战是阳极氢氧化反应(HOR)相对缓慢的动力学,这使得其需要较高载量的阳极催化剂才能实现较高的电池性能。因此,对于HEMFC而言,阳极催化剂的成本也很高,亟需开发在碱性条件下低成本、高活性和高稳定性的HOR催化剂。在本综述中,我们总结了HOR催化剂的最新研究进展,涉及文献中提出的各种HOR机理和催化剂,并分析了基于阳极催化剂成本的HEMFC性能。我们发现,最新报道的非Pt HOR催化剂可以降低阳极催化剂的成本,到达与PEMFC接近的成本水平。最后,我们对HOR的进一步研究进行了展望。     

Ni@MWCNTs催化阳极的制备及在直接尿素(尿液)燃料电池中的应用

在表面自吸附多壁碳纳米管(MWCNTs)的废弃面膜布上电沉积镍(Ni)制备得到成本低廉、结构疏松的柔性Ni@MWCNTs电极.利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪及电感耦合等离子体质谱仪对电极的微观形貌、元素分布、晶体结构和催化剂含量进行表征.采用循环伏安法、计时电流法和交流阻抗法研究了Ni@MWCNTs的单电极催化性能和全电池输出性能.结果显示,尿素电氧化反应可能产生强吸附性的中间产物,当KOH的浓度为3.0 mol/L时,氧化峰电流密度达到最高值(18.7 mA·mg~(-1)·cm~(-2));以Ni@MWCNTs电极为负极的直接尿素燃料电池的开路电压高达0.87 V,峰功率密度为1.74 m W/cm~2.当以人类尿液为燃料时,增大燃料的pH值,能大幅提升直接尿液燃料电池的性能.     

燃料电池膜电极衰减机制及其抗老化策略北大核心CSCD

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高能量效率和高能量密度、低温快速启动、结构紧凑、无污染、低噪声等优点,在氢能汽车、固定式电站、水下潜艇和通讯电源等方面具有广泛的应用前景.目前影响燃料电池商用化的主要问题是成本和寿命,特别是在工况下急剧的启停、干湿、温度等变化,以及随之带来的机械及电化学老化,严重影响了燃料电池核心部件膜电极的耐久性和稳定性,导致燃料电池寿命大幅度下降.动态负载下燃料电池的寿命较短,距离燃料电池汽车商业化目标寿命仍有较大距离.因此,开发快速有效的膜电极加速老化测试程序,研究膜电极的耐久性,揭示燃料电池失效机理,寻找解决措施,对提高燃料电池使用寿命,推动燃料电池技术商业化,实现国民经济可持续发展具有重大意义.本文通过对比研究膜电极老化测试,从催化材料、质子交换膜以及启停控制策略应用等方面,分析电极、质子交换膜等关键材料的衰减物化机理,从材料科学领域深入探讨提升关键材料耐久性的方法及机理.为燃料电池的各部件制备与设计完善评价体系,推进燃料电池商用化发展.     

YSZ传导膜H_2S固体氧化物燃料电池

研究了Y2O3稳定的ZrO2(YSZ)氧离子传导膜H2S固体氧化物燃料电池性能。掺杂NiS、电解质、Ag粉和淀粉制备了双金属复合MoS2阳极催化剂,掺杂电解质、Ag粉和淀粉制备了复合NiO阴极催化剂,用扫描电镜对YSZ和膜电极组装(MEA)进行了表征,比较了不同电极催化剂的性能和极化过程,考察了不同温度对电池性能的影响。结果表明,双金属复合MoS2/NiS阳极催化剂在H2S环境下比Pt和单金属MoS2催化剂稳定,复合NiO阴极催化剂比Pt性能好,在电极催化剂中加入Ag可显著提高电极的导电性;与Pt电极相比,复合MoS2阳极和复合NiO阴极催化剂的过电位较小,阳极的极化比阴极侧小;温度升高,电池的电流密度与功率密度增加,电化学性能变好。在750℃、800℃、850℃和900℃及101.13 kPa时,结构为H2S、(复合MoS2阳极催化剂)/YSZ氧离子传导膜/(复合NiO阴极催化剂)、空气的燃料电池最大功率密度分别为30 mW/cm2、70 mW/cm2、155 mW/cm2及295 mW/cm2、最大电流密度分别为120 mA/cm2、240 mA/cm2、560 mA/cm2和890 mA/cm2。     

基于非贵金属氧还原催化剂的质子交换膜燃料电池性能

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.     

质子交换膜燃料电池Pt/C阴极氧还原动力学模拟

质子交换膜燃料电池的商业化应用迫切要求降低其Pt载量. 本文通过Pt/C氧还原电极的动力学模型计算,研究了Pt/C电极中的氧分布、生成电流以及满足实际应用的最小Pt载量. 结果表明：燃料电池Pt/C电极,阴极产生严重浓差极化的催化层厚度为40mm;功率密度达到1.4 W•cm^-2（2.1 A•cm^-2@0.67 V）的电池性能需要3mm左右的Pt/C阴极催化层,阴极Pt载量为0.122 mg•cm^-2,即可使膜电极的阴极铂用量低于0.087 g•kW^-1.     

钴-聚吡咯-碳载PtNi燃料电池催化剂的制备及应用

采用脉冲微波辅助化学还原合成新型载体钴-聚吡咯-碳(Co-PPy-C)负载PtNi催化剂.利用透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)研究了催化剂的结构和形貌,此外,利用循环伏安(CV)和线性扫描伏安(LSV)等方法测试了催化剂的电化学活性及耐久性. PtNi/Co-PPy-C催化剂的金属颗粒直径约为1.77 nm,催化剂在载体上分布均匀且粒径分布范围较窄. XRD结果显示, PtNi/Co-PPy-C中Pt(111)峰最强, Pt主要是面心立方晶格.CV结果显示,其电化学活性面积(ECSA)为72.5 m²·g^-1,明显高于商用催化剂Pt/C(JM)的56.9 m²·g^-1.为进一步考查催化剂耐久性,电化学加速5000圈耐久性测试后, PtNi/Co-PPy-C颗粒发生明显集聚, ECSA衰减率和0.9 V下比质量活性衰减率分别为38.2%和63.9%.此外,采用有效面积为50 cm²的单电池用于评价自制催化剂的性能,发现在70 ℃且背压为50 kPa时电池的性能最好,此时自制PtNi/Co-PPy-C催化剂制备膜电极(MEA)的最大功率密度达到523 mW·cm^-2.可见自制催化剂的电化学性能高于商用Pt/C(JM),在质子交换膜燃料电池(PEMFC)领域有一定的应用前景.     

一锅法制备Fe2O3@Fe-N-C氧还原电催化剂及其锌-空气电池的性能研究

在金属空气电池和燃料电池阴极上的氧还原反应(ORR)对相关电化学能量转换装置的整体性能有重要影响,金属-氮-碳催化剂有望替代传统的商业Pt-C成为新一代ORR电催化剂。本文通过简便的一步热解工艺合成了具有Fe-N_x活性位点和Fe₂O₃纳米颗粒共存的电催化剂,Fe₂O₃@Fe-N-C-1000催化剂在0.1 mol·L^-1 KOH溶液中表现出良好的ORR活性,半波电位为0.84 V,应用在锌-空气电池中时也具有可以和商业Pt-C媲美的性能,能量密度为88.3 mW·cm^-2,同时和Pt-C相比具有更好电化学稳定性,表现出优良的ORR应用潜力。     

离子交换-电沉积法制备高Pt利用率多孔电极

采用离子交换-电沉积的方法(Ion-exchange/electrodeposition,IEE)制备了一种高Pt利用率催化电极,对所制备电极的表面形貌、催化活性及单电池性能用线性扫描伏安(LSV)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和单电池测试进行了表征. 结果表明,通过电极制备工艺和离子交换-电沉积参数的调控,能够消除碳载体表面官能团的影响,使铂阳离子只与全氟磺酸树脂(Nafion)上的H⁺进行交换. 在无铂离子的电解质中,将被交换的铂阳离子还原到与Nafion接触的碳载体上,使每一个铂纳米粒子都处于气体多孔电极的三相界面上,有效地调控铂纳米粒子的尺寸和分散度. 单电池测试表明,以铂载量为0.014 mgPt•cm^-2的IEE电极组装的电池的输出功率与铂载量为0.3 mgPt•cm-²的Nafion粘接Pt/C电极相当.     

碳纳米纤维负载铁镍合金在锌空气电池中的应用

析氧反应(OER)催化剂在锌空气电池(ZABs)储能过程中起着关键作用。我们开发了一种新型非贵金属基自支撑碳纳米纤维催化剂(Ni_δFe_4-δ-CNF)。首先,以聚乙烯吡咯烷酮、过渡金属乙酸酯、N,N-二甲基甲酰胺为原料,采用静电纺丝法制备了网状前驱体。随后,通过高温退火处理,将其转化为三维(3D)多孔结构材料。合成的Ni₁Fe₁-CNF催化剂在浓度为1 mol·L^-1KOH的电解质溶液中具有较低的起始电位(230 m V)和过电势(280 mV,10 mA·cm^-2),性能优于商业RuO₂。同时,将Ni₁Fe₁-CNF催化剂与商业Pt/C催化剂混合,作为空气阴极催化剂组装成ZAB,与商业的RuO₂+Pt/C ZAB相比,Ni₁Fe₁-CNF+Pt/C ZAB具有更高的功率密度(122 m W·cm^-2)、...     

PEMFC阴极催化层结构分析

采用CCS法（catalyst coated substrate）构建铂纳米颗粒（Pt-NPs）和铂纳米线（Pt-NWs）双层催化层结构,分析其对单电池电化学性能的影响。对于富铂/贫铂双层铂纳米颗粒结构,靠近质子交换膜侧的富铂层中致密的铂颗粒结构能促进ORR速率,而靠近气体扩散层一侧的具有更高的孔隙率和平均孔尺寸的贫铂层,有利于反应气体的传输和扩散,当贫富铂层铂载量比为1:2时,单电池测试表现出最优性能,在0.6 V时的电流密度达到了1.05 A·cm^-2,峰值功率密度为0.69 W·cm^-2,较常规单层催化层结构提升了21%。在以Pt-NPs作为基底层时生长Pt-NWs时,得到了梯度分布的双层结构。铂颗粒的存在促进了铂前驱体的还原,并为新形成的铂原子提供了沉积位置。在Pt-NPs基底上生长的Pt-NWs具有更均匀的分布以及更致密的绒毛结构,并且自然形成了一种梯度分布。优化后的Pt-NWs催化层在0.6 V时的电流密度提高了21%。含有双层催化层结构的膜电极具有更高的催化剂利用率,对阴极催化层结构的优化和制备提供了新思路。     

氢溴储能电池结构的优化和运行条件对电池性能的影响

研究了氢溴电池的电池结构、正极氢溴酸和溴电解质浓度、负极的氢气压力、质子交换膜厚度对氢溴电池的性能和电池效率的影响。对氢溴电池结构进行改进,单电池实现了200 mA·cm^-2电流密度恒流充放电,电池库伦效率100%。溴电极电化学反应受浓差极化控制,提高氢溴酸浓度,电池充电性能提高,同时,溴在氢溴酸的溶解度增大,电池放电性能也提高,氢溴酸浓度由0.5 mol·L^-1提高至1 mol·L^-1,电流密度200 mA·cm^-2,电池的能量效率和电压效率提高27.9%。氢溴电池充电过程,降低电池负极氢出压力,有利于提高充电性能,但膜透酸严重,放电过程中最佳的氢出压力是维持氢在碳纸憎水催化层的单层吸附,充放电过程氢出压力均为40.0 kPa,电池的能量效率80.2%。膜厚度与膜电阻极化和膜透酸密切相关,充电过程,膜由50.0 μm降至15.0 μm,膜透酸严重,负极电化学活性比表面积下降,电池充电性能降低。膜厚度对放电性能的影响还与电流密度有关,电流密度较低时,膜透酸造成负极电化学比表面积下降居主导地位,50.0 μm Nafion膜放电性能更高;电流密度超过200 mA·cm^-2时,膜电阻极化居主导电位,15.0 μm Nafion膜性能更高。采用20.0 μm质子交换膜,在200 mA·cm^-2电流密度循环充放电五次,电池的能量效率和电压效率达到85.3%,库伦效率100%。     

墨水溶剂对低铂含量质子交换膜燃料电池性能的影响

Owing to the scarcity of platinum, it is of high importance to develop electrodes with low platinum metal loading and to thereby improve the utilization of Pt for the commercialization of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In comparison to conventional high-platinum electrodes, the thickness of the catalyst layer (CL) is thinner and the interatomic Pt spacing is larger for the low-Pt loading electrodes. The distribution of electrolyte ionomer and the electrode morphology, which are strongly influenced by the solvents used in the fabrication process, are therefore increasingly important factors for achieving high performance in the membrane electrode assembly (MEA). In this work, different solvents with various dielectric constants and evaporation rates were used to prepare the inks for low-Pt loading cathode (0.1 mg·cm^-2) fabrication. First, the inks were fabricated by dispersing the catalyst and ionomer in different solvents which were then coated onto carbon paper to prepare the gas diffusion electrodes. The anode and cathode electrodes were then hot-pressed together with the Nafion membrane to produce the MEAs. The results showed a mixture of isopropanol-water (4:1) yielded the best-performing MEA during the single-cell tests compared to the other solvents tested. In order to elucidate the relationship between the performance of MEAs and the solvents, the structure and the surface morphology of the CL and the distribution of Nafion ionomer in the CL was characterized using scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). A comparison of the SEM and TEM images of representative samples indicated that the best performing electrode had a much improved homogeneity in the surface morphology as well as the dispersion of catalyst and ionomer. This was because of the moderate evaporation rate and better dispersion, caused by the increased hydrogen bonding and high dielectric constant, respectively. The results from dynamic light scattering (DLS) showed that the size of the catalyst and ionomer aggregates are influenced by the solvents. It is suggested that larger aggregates might help the formation of holes in the CL for gas diffusion and water removal, with the optimum size found to be around 400–800 nm. In conclusion, the MEA fabricated from the isopropanol-water solvent exhibited a significantly increased power density (1.79 W·cm^-2), and the utilization of Pt was increased to approximately 0.047 mg·W^-1, which is among the best-performing fuel cells reported to date.