天津大学焦魁、樊林浩团队JMCA：揭示燃料电池内部多维纳米催化剂周围的局部氧气传输特征- 大数跨境

首页

天津大学焦魁、樊林浩团队JMCA：揭示燃料电池内部多维纳米催化剂周围的局部氧气传输特征

科学材料站

2024-06-17

导读：天津大学焦魁、樊林浩团队JMCA：揭示燃料电池内部多维纳米催化剂周围的局部氧气传输特征

文章信息

揭示燃料电池内部多维纳米催化剂周围的局部氧气传输特征

第一作者：周雨萌

通讯作者：焦魁*，樊林浩*

单位：天津大学

研究背景

质子交换膜燃料电池是一种能够高效利用氢能的能量转换装置，具有功率密度高、效率高、成本低、零碳排放等优点，在交通运输、发电、航空航天等领域得到广泛应用。为了从催化剂方面提升质子交换膜燃料电池的性能，近年来研究者开发了多种新型结构的高性能铂基纳米颗粒。然而，在实际的应用中，局部氧气传输阻力大大阻碍了催化层的性能提升。本篇文章涉及四种具有代表性的多维催化剂颗粒，包括铂纳米线、铂纳米球、铂纳米框架和铂钴核壳颗粒，全面地研究了催化剂周围的电解质膜的形态和局部氧气传输机制，揭示催化剂结构对氧气传输的影响。

文章简介

近日，来自天津大学的焦魁教授和助理研究员樊林浩，在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Revealing local oxygen transport in ionomer films on multidimensional nanoscale catalysts in fuel cells”的文章。该文章分析了不同的多维催化剂结构对局部氧气传输的影响，同时为开发新型催化剂提出了建议。

四种催化剂周围跨电解质膜的氧气传输通量以及氧气传输机理。

本文要点

要点一：电解质膜的结构特性

由于催化剂颗粒对电解质高分子链（PFSA）的强吸引力，颗粒外围被一层致密的电解质层所包裹。四种催化剂颗粒中，一维锯齿状纳米线表面粗糙，局部铂原子密度更低，进而对电解质高分子的吸引力更弱。因此纳米线在一定程度上抑制了电解质致密层的形成。覆盖碳载催化剂的电解质薄膜呈现明显的多层结构，载体上方依次为致密层、富水层、贫水层、富水层和贫水层。由于催化剂颗粒强烈地吸引周围的PFSA分子和水分子，从而干扰平行的电解质多层结构，造成局部扭曲。其中一维纳米线直径小，且几乎平行于碳载体，因此对电解质多层结构几乎没有影响。

要点二：氧气分子分布特征和输送特性

靠近碳载体的电解质致密层存在很多纳米级孔，为氧气分子提供了吸附位点，从而导致氧密度峰。纳米线上方水分子较少、氧溶解度较高，存在一层高氧密度层，而相当数量的氧分子存在于三维纳米球，纳米框架和核壳颗粒的侧面。在一定时间内，传输至纳米线的氧气通量最高，而到达纳米球，纳米框架和核壳颗粒的氧气通量几乎相同。这意味着纳米线结构可以有效地降低局部氧气传输阻力。考虑到中空纳米框架和合金核壳颗粒所包含的铂原子更少，分析了到达单位铂原子的氧气传输通量。二者利用更少的铂原子，实现了与纳米球相同的氧气传输能力。

要点三：局部氧气传输机制

多维催化剂的结构影响电解质膜的形态分布和氧气传输。氧分子直接穿过电解质膜到达一维纳米线的催化剂表面，而对于三维催化剂，大多数氧分子需要首先渗透到催化剂侧面之后到达铂表面，延长了氧气传输路径。因此纳米线周围形成更短更宽的氧气传输路径，导致纳米线的氧气通量相对于三维催化剂提升了2.3倍。此外，在相同氧气通量的条件下，中空纳米框架和合金核壳颗粒分别减少了84.93%和41.11%的铂使用量。基于这些发现，一维中空或核壳结构的催化剂有望进一步降低局部氧传输阻力，并在实际应用中获得显著的催化性能。

文章链接

Revealing local oxygen transport in ionomer films on multidimensional nanoscale catalysts in fuel cells

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d4ta01633e

通讯作者简介

焦魁：

天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室教授、博士生导师。主要从事能源利用和工程热物理方面的研究工作。近年来主持科研项目 30 余项，包括国家杰青、优青、英国皇家学会牛顿高级学者基金、国家重点研发计划课题等国家和省部级项目，以及上汽、一汽、东风、潍柴、捷氢、博世、新源动力等企业委托研发项目。所开发的燃料电池仿真模型在多家企业得到成功应用，支撑了多款燃料电池发动机和整车的研发工作。以第一或通讯作者在 Nature 等国际期刊发表 100 余篇文章，出版中英文专著3部。担任国际期刊 Energy and AI 创刊副主编、International Journal of Green Energy 副主编、Frontiers in Energy Research 栏目主编、IEEE TTE, Applied Energy 等期刊编委、中国内燃机学会燃料电池发动机分会副主任委员、英国皇家化学会和工程技术学会会士。获中国内燃机学会自然科学一等奖、国际绿色能源协会技术创新奖、霍英东青年教师奖、吴仲华青年学者奖等荣誉。

樊林浩：

天津大学先进内燃动力全国重点实验室助理研究员、硕士生导师。主要从事燃料电池、水电解传热传质和电化学领域的研究工作。在相关领域共发表论文30余篇，其中以第一/通讯作者在Energy & Environmental Science、ACS Nano等期刊上发表论文16篇，以共同作者在Nature正刊发表论文1篇，所发表论文被引用2000余次；出版专著1部和图书章节1节；授权国家发明专利4项；担任Frontiers in Energy Research栏目副主编、Frontiers in Thermal Engineering期刊客座编辑；主持国家基金青年基金、博士后面上和站前特别资助等科研项目7项，并入选博士后“香江学者”计划；获中国内燃机学会自然科学一等奖、中国汽车工程学会技术发明一等奖、国际绿色能源协会技术创新奖、宝钢特等奖等奖励。经中国内燃机学会推荐，入选中国内燃机学会第一期青年人才托举计划。

第一作者简介

周雨萌

天津大学

2022级天津大学机械工程学院硕士研究生，主要研究方向包括燃料电池中的微纳尺度传质和新型铂基催化剂的设计合成等。曾获国家奖学金、史绍熙科技教育基金、康明斯林慰梓奖学金等奖励。