尹燕、张俊锋团队， Carbon观点：高保湿Fe-N-C催化层设计实现燃料电池大于100oC下高性能

第一作者：尹燕

通讯作者：王连芹，张俊锋

单位：天津大学

质子交换膜燃料电池是向可持续能源系统和低碳经济转型的关键技术。传统质子交换膜燃料电池通常在80℃左右运行，而将电池工作温度提升至100℃以上可带来显著优势：不仅能增强反应动力学性能，还可提高催化剂对一氧化碳中毒的耐受性。然而，温度的提升加速了催化层中水的流失导致催化层中出现较为严重的缺水现象。因此，本篇回顾了对于中温质子交换膜燃料电池的发展要求以及低温下Fe-N-C催化层的特点，通过利用Fe-N-C催化层较高载量以及提升催化层孔体积等方式，设计出一款具有高保湿性的阴极催化层，其在105℃，低加湿状态下依旧保持稳定的性能。本文为未来提升电池催化层的保湿性提供了研究方向，有助于中高温质子交换膜燃料电池的研究与应用。

近日，来自天津大学的尹燕教授、张俊锋副教授、王连芹助理研究员等，在国际知名期刊Carbon上发表题为“Pore-Engineered Fe-N-C Catalyst layer Enabling Hydration Stability for >100°C fuel cells”的观点文章。该观点文章针对中温燃料电池催化层水分快速流失的问题，设计出了一款具有高保湿性的Fe-N-C阴极催化层，保证了燃料电池在大于100℃条件下的稳定运行。

利用金属盐对催化剂在高温下进行刻蚀，显著提升了催化剂的石墨化程度，促进了催化剂导电性、耐腐蚀性的提升。此外，BET测试与亚硝酸盐溶出伏安法测试表明催化剂比表面积和介孔体积的提升，使NCFe-Li+&K+的有效活性位密度提升了2.5倍（65.91 μmol g^-1），铁原子利用率提升至30.76%。最终，在三电极测试体系中，NCFe-Li+&K+展现出优秀的电化学性能（22.1 mF cm^-2和0.812 V vs RHE）。

催化层断面与压汞法测试分析表明NCFe-CCL相对于商业铂碳催化剂形成的催化层拥有较厚的催化层与更大的孔体积，进而在VTI-SA测试中，NCFe-CCL展现出优秀的水保持能力。在105℃电池温度，200 kPa背压且阴极进气相对湿度仅为20%的工况下，电池的峰值功率密度在氢氧条件下依旧达到了1057 mW cm^-2，氢空条件下达到了518 mW cm^-2。

Pore-Engineered Fe-N-C Catalyst layer Enabling Hydration Stability for >100°C fuel cells

张俊锋副教授简介：中国化学会会员，英国皇家化学会会员，获内燃机学会一等奖（8），从事燃料电池、电解水等关键材料、器件的相关研究，重点关注膜电极设计、电化学反应、气液传输及相互耦合关系，入选2024年全球前2%顶尖科学家榜单。近年来主持并参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、天津市自然科学基金等十余项，与中石化、丰田汽车技术研发（上海）有限公司等企业围绕催化剂、膜电极、离子膜的研究和中试放大开展合作研究。在Energy Environ. Sci., Adv. Mater.,Angew, Nat. Commun., Adv. Sci., Appl. Catal. B Environ.等国际期刊发表论文100余篇，多篇论文被Springer, Elsevier, Wiley等出版社推荐为亮点论文，引用3600余次，H指数32。

王连芹助理研究员简介：助理研究员。2015年博士毕业于意大利的里雅斯特大学。2015年至2018年于英国萨里大学作为博士后从事有关辐射接枝阴离子交换膜方面的研究。主要研究兴趣有燃料电池、功能膜和催化剂。担任 Nature Energy、J. Material Chemistry A、J. Membrane Science 等期刊审稿人。

尹燕教授：教授、博士生导师。主要从事清洁能源领域燃料电池关键材料及传输过程基础研究工作，包括燃料电池膜材料、催化剂制备合成，燃料电池膜电极寿命、耐久性仿真与实验，燃料电池性能测试、分析与优化等研究。承担和参加日本以及国家、部委课题多项，在Nature Energy, Nature Commun., Energ. Environ. Sci., Appl. Energ., J. Mater. Chem., J. Power Sources, J. Membr. Sci., Electrochimica Acta等期刊发表论文100余篇，申请国内外发明专利20余项。担任多个国际期刊审稿人，兼任国际氢能协会燃料电池分会秘书，入选2019年Elsevier中国高被引学者。

氢电转换能源材料研究室：依托于天津大学动力工程及工程热物理学科、先进内燃动力全国重点实验室和国家储能技术产教融合创新平台（天津大学），以新型、清洁和高效的新能源转化技术为主攻方向，主要开展聚合物电解质燃料电池和电解水技术的研究，涉及聚合物电解质膜的合成、电化学催化剂的制备、膜和催化剂材料研究、膜电极技术以及燃料电池的水热管理模拟等，是一个化学、化工、材料和机械等多学科交叉的科研平台。研究室由国际知名教授Guiver担任组长，长期致力于燃料电池及电解水的关键材料研发，主要从事膜材料、催化剂开发，催化层、膜电极结构设计，以及单电池、电解池性能研究，形成了独具特色的材料、器件的多尺度研究体系和实验条件，目前拥有多台燃料电池测试台、电化学工作站、液压式电解水膜电极测试系统等氢能源研究设备，在Nature，Angew，Energy Environ Sci, Small，Adv Mater等国际期刊发表论文100余篇，多篇论文被Springer, Elsevier, Wiley等出版社推荐为亮点论文，相关成果被今日头条、科学网等媒体报道。获得授权专利20余项（转化1项），承担十余项国家自然科学基金、国家重点研发计划，与中石化、丰田、华能等企业开展合作研究。

天津大学动力工程及工程热物理学科（学科评估A，双一流重点建设学科），学科始建于上世纪五十年代初，是我国首批博士点、博士后流动站以及首批国家重点学科。2022年入选教育部第二轮“双一流”建设高校及建设学科名单，拥有先进内燃机动力国家实验室、中低温热能高效利用教育部重点实验室等国家级和省部级研究基地，同时也是天津大学211和985工程重点建设的学科。课题组欢迎对氢电转换关键材料及膜电极感兴趣的研究生、博士后加入，专业面向材料、化学、电化学、工程热物理等。