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燃料电池膜电极组件中催化剂层简析

信息来源:金联创 2020-01-19 14:18:06
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       质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)阴极氧还原反应需要使用贵金属铂(Pt)作为催化剂,作为组件中最复杂的部分之一,它包括了燃料电池发生电化学反应、进行质子和电荷转移所必需的组分,并为反应物气体传输和液态水放电提供空间。目前已经提出的催化剂种类包括:(1PtCo/C(Brookhaven 国家实验室/ChemCat,丰田/田中);(2PtNi3M,庄信万丰/通用汽车);(3PtMnCo3M-NSTF);(4Pt/C(通常为阳极催化剂)。

燃料电池电极催化剂成本主要可分为:铂原料成本、催化剂油墨的制造成本和将催化剂沉积到膜上的制造成本。贵金属铂(Pt)或其合金作为最被广泛应用的催化剂,其成本约占燃料电池系统的45%。大规模生产情况下,如何降低贵金属用量、提高催化剂效率一直是燃料电池研究的重点。初次之外,开发低铂及非铂催化剂具有十分重要意义,从长远角度出发,非铂催化剂的研发将更进一步降低燃料电池成本,是其实现大规模商业化的终极解决方案。

对于非铂催化剂,过渡金属(Fe, Co, Ni, Mn等)与氮共掺杂碳材料(M-N-C)表现了很好的性能,引起了国内外学者的广泛关注。其中Fe-N-C具有酸性条件下最优的ORR催化活性,但是由于铁在酸性条件下易溶解形成铁离子,与ORR反应的副产物H2O2形成具有强氧化性的芬顿试剂(Fenton),对质子交换膜及催化剂产生极强的破坏作用,导致催化剂性能迅速衰减,电池短路失效,因此探索非铁基非铂催化剂是非铂催化剂的发展方向,因而Co-N-C材料成为研究热点。1989年,Yeager和他的同事开发了一种更为经济的方法制备Co-N-C催化剂热处理钴盐、氮/碳前驱体、碳载体混合物。一般情况下,先将钴盐、氮/碳前驱体、碳载体在液相溶剂中混合均匀,去除溶剂后,固体粉末在700 °C以上热处理,再经过酸洗和二次热处理得到Co-N-C催化剂。合理的Co-N-C催化剂应具有高活性点密度、合理的微观结构和孔径分布、良好的耐腐蚀性能。近一步提高催化活性是目前迫切需要解决的问题,并且合理的设计制备适合非铂催化剂的膜电极等方面,仍需要大量的工作。 

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