郑州大学张佳楠教授团队：高温质子交换膜燃料电池抗毒化催化材料最新研究进展

第一作者：薛冬萍

通讯作者：张佳楠*

单位：郑州大学

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)在其工作温度(120-300℃)下具有电极反应动力学快、CO耐受性高、水热管理简单等独特优势，被认为是一种最具有应用前景的燃料电池系统。然而，在HT-PEMFCs中，大量的PA和PA解离离子毒化铂催化剂的活性位点。催化层内的物质传输阻力增大，反应动力学缓慢，严重阻碍了HT-PEMFC的大规模商业化。因此，在HT-PEMFC中开发高效、耐用、高PA耐受性的电催化剂是必要的，也是经济可行的。

近日，郑州大学张佳楠教授研究团队在期刊Industrial Chemistry & Materials上发表题为“Recent progress of antipoisoning catalytic materials for high temperature proton exchange membrane fuel cells doped with phosphoric acid”的综述文章。本文综述了HT-PEMFCs催化剂的最新研究进展，系统分析了贵金属和非贵金属催化剂在HT-PEMFCs中的应用，揭示了其构效关系和抗PA中毒机理。最后，讨论了HT-PEMFCs目前面临的挑战和机遇，以及可能的解决方案，为未来高性能HT-PEMFCs催化剂的开发提供一些启示。

在电池运行过程中，膜内的PA受到电流的驱动，PA水解的H₂PO⁴⁻从膜向阳极迁移，与阳极侧的氢离子反应形成PA，从而增加了阳极PA的含量。随后，由于浓度梯度的差异，PA扩散到阴极，与阴极生成水结合形成H₂PO⁴⁻。这种循环促进了PA在催化层中的重新分布，导致催化层中出现“酸驱”现象。此外，大量的PA和PA解离离子占据了铂催化剂的活性位点。催化层内的物质传输阻力增大，反应动力学缓慢，严重阻碍了HT-PEMFCs的大规模商业化。

为了弥补Pt/C催化剂的不足，实现低成本、高活性和高稳定性的目标，在HT-PEMFCs催化剂的研究中逐渐开发出新颖有效的催化剂。在Pt纳米粒子中添加其他元素来调整Pt纳米粒子的电子结构，将Pt与其他金属合金化或构建核壳结构是克服Pt纳米粒子缺乏活性和稳定性的优化策略。另一方面，研究人员正致力于寻找可以取代铂族金属的廉价金属催化剂。其中，单原子催化剂(SACs)因其原子分散性好、原子利用率高、活性可与传统金属颗粒催化剂相媲美而受到广泛关注。过渡金属基SACs具有更好的ORR催化活性和更低的成本，是燃料电池中Pt基ORR催化剂的潜在替代品。然而，SACs的稳定性和金属位的溶解性仍然是亟待解决的问题。此外，前人的研究表明，基于第三层沸石效应的概念，设计合成了一些含氰离子、三聚氰胺和巯基的有机分子作为屏障材料，可以有效防止磷酸盐阴离子在HT-PEMFCs中的毒性作用。然而，在高温操作系统中，化学修饰的有机分子可能会从金属纳米颗粒的表面分离。因此，从实际应用的角度来看，HT-PEMFCs在长期运行过程中很难保持沸石效应。

广泛使用旋转圆盘电极 (RDE) 技术来快速表征由毫克量的材料制备的新型催化剂，对于有前途的催化剂设计的大规模预选仍然很重要，但催化剂最终必须在MEA测试中证明其性能和耐用性，这与实际应用非常相似。然而，RDE对环境评价体系绩效所得结果的预测往往只适用于趋势，而不适用于绝对值。在某些情况下，基于RDE的分析系统地测量了伪产物，而不是实际的催化剂性质。这两种技术之间的差距是将有前途的电催化剂设计快速集成到实际PEM系统中的主要障碍。

Recent progress of antipoisoning catalytic materials for high temperature proton exchange membrane fuel cells doped with phosphoric acid

张佳楠教授简介：郑州大学材料科学与工程学院教授，博导，教育部青年长江学者，英国皇家化学会会士，中国化学会女委会委员，中国化学会青委会委员。主要从事碳基复合材料在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和金属空气电池等能源转换与能源存储装置中的电催化材料的设计、构筑、应用以及相关电催化过程机理研究，并取得了重要进展。迄今为止，在Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等期刊上发表论文80余篇，多篇文章被评为ESI高被引文章，h-index为48，总被引近8000次；2020年获省科技成果一等奖(排名第1)，2021年获河南省自然科学奖二等奖（排名第1）；担任多个期刊编委和客座编辑，包括高等学校化学学报（Chem. J. Chinese. U.）、InfoMat、电化学。入选2023年全球前2%顶尖科学家。

薛冬萍，郑州大学材料科学与工程学院2020级博士研究生，师从张佳楠教授，主要研究方向为质子交换膜燃料电池和金属-空气电池用碳纳米复合材料的设计、构筑及催化机制研究，目前以第一作者/共同一作在Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Nano Energy 等期刊上共发表SCI论文9篇，其中ESI高被引文章1篇。