王振波教授、陈忠伟教授， AEM综述：材料工程策略提升质子交换膜燃料电池催化剂稳定性- 大数跨境

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王振波教授、陈忠伟教授， AEM综述：材料工程策略提升质子交换膜燃料电池催化剂稳定性

科学材料站

2021-12-15

导读：该综述文章分析了质子交换膜燃料电池贵金属与非贵金属催化剂的性能衰减机制及电池工作条件对催化剂稳定性的影响

材料工程提升质子交换膜燃料电池催化剂稳定性

第一作者：赵磊

通讯作者：王振波*，陈忠伟*

单位：哈尔滨工业大学，加拿大滑铁卢大学

研究背景

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）在商业市场已经取得了巨大的进步，丰田在2014年推出了第一款商业化的燃料电池汽车Mirai。电催化剂决定了PEMFCs的性能，占总成本的一半。尽管在开发高活性贵金属（PGM）和非贵金属（PGM-free）的电催化剂方面取得了实质性的进展，但目前的电催化剂面临着巨大的耐久性挑战。已报道的电催化剂的寿命与商业化的PEMFCs在8000小时内稳定运行的要求相去甚远。

在此，本综述总结了燃料电池条件用PGM和PGM-free催化剂的耐久性问题以及解决这些问题的材料工程策略方面的最新进展。本文为未来催化剂的研究提供了方向，有助于加速质子交换膜燃料电池领域的研究及实际应用。

文章简介

在这里，来自哈尔滨工业大学的王振波教授与滑铁卢大学的陈忠伟教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Materials Engineering towards Durable Electrocatalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells”的综述文章。

该综述文章分析了质子交换膜燃料电池贵金属（PGM）与非贵金属（PGM-free）催化剂的性能衰减机制及电池工作条件对催化剂稳定性的影响，重点总结了近期在提升催化剂稳定性上的研究进展。

图1. 质子交换膜燃料电池贵金属（PGM）与非贵金属（PGM-free）催化剂的性能衰减机制，以及提升催化剂稳定性的材料工程策略

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本文要点

要点一：燃料电池用贵金属（PGM）催化剂

PGM催化剂稳定性下降主要由于PGM纳米颗粒烧结以及碳载体腐蚀。PGM颗粒的烧结和载体的降解是相互促进的：PGM颗粒催化加速了碳载体的氧化腐蚀，而碳基体的塌陷又加速了PGM的烧结。

将PGM与第二种金属合金化，构建有序的金属间或/和核壳纳米颗粒，以及调整PGM纳米颗粒的尺度有利于减缓金属损失；使用高度石墨化的碳以及导电的非碳材料有利于缓解载体的腐蚀；加强PGM-载体的相互作用以及通过空间限域固定PGM颗粒也有助于提高PGM催化剂的稳定性。

值得注意的是，在PEMFCs的苛刻工作条件下，如低pH值、高湿度、高温、高电位区域以及动态启/停循环，都不利于阴极催化层中催化剂的稳定性。因此，重要的是要提出一个耦合策略，同时关注催化剂的合理设计和阴极催化层结构优化。

要点二：燃料电池用非贵金属（PGM-free）催化剂

PGM-free催化剂（主要为M-N-C）的降解机制仍不清楚。活性金属溶出和由过氧化物/自由基攻击引起的碳腐蚀被认为是主要的衰减机制。不同的衰减机制也是相互影响的，碳腐蚀加速了中心金属离子从MNx活性部位的浸出，而溶解的离子，特别是铁离子，通过芬顿（Fenton）反应催化活性氧自由基（ROS）的形成，反过来加速了碳的氧化。

开发不含Fe的PGM-free催化剂以及引入H₂O₂/自由基清除剂可以有效地延缓Fenton效应；构建稳定的M-Nx活性点和提高碳基体的石墨化程度也有利于催化剂的稳定性。应该注意的是，由于稳定性问题通常取决于金属/含氮前驱体的类型以及合成过程，因此很难明确确定一种降解机制是M-N-C催化剂的主要降解机制。

此外， PGM-free催化剂在膜电极（MEA）中的高载量将使阴极催化层变厚，导致质量传输的变慢、催化剂腐蚀和水管理的困难。开发高稳定的PGM-free催化剂并同时控制阴极催化层的厚度是非常重要的。

要点三：前瞻

尽管在理解降解机制和相应的稳定性提升策略方面已经取得了一些成就，但仍有一些挑战需要征服。

（1）除了电催化剂的降解，膜和离聚物的退化也导致了燃料电池的性能损失；

（2）对于催化剂来说，在燃料电池膜电极中表现出与半电池条件下一样的高活性和耐久性仍然是一个巨大的挑战，对于包括膜电极组件、双极板和辅助部件在内的质子交换膜燃料电池的整体评估是必要的；

（3）由于膜电极中工作环境的复杂性和活性点的原子尺度性质，需要具有高时空分辨率的先进技术来探测真正的活性中心并监测催化剂的结构演变。特别是，迫切需要原位表征技术来进一步考察催化剂的降解机制以及稳定性提升策略。

此外，应特别注意理论研究与实验研究相结合，以获得对降解机制的基本了解，指导新催化剂的合理设计，并提出有效的缓解策略，实现具有高性能、长寿命的质子交换膜燃料电池，以加速其在商业市场中的应用。

文章链接

Materials Engineering towards Durable Electrocatalysts for Proton Exchange Membrane Fuel Cells”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202102665

通讯作者简介

王振波教授

国家万人计划领军人才，黑龙江省“龙江学者”特聘教授；入选山东省和江苏省人才项目；连续7年（2014-2020）入选Elsevier中国高被引科学家。主持国家自然科学基金4项，装备发展部项目1项，军科委重大基础研究计划课题1项；作为技术负责人完成863项目1项，黑龙江省“百千万”工程科技重大专项1项，其他省部级项目及企业课题30多项。以第一作者或通讯作者在Nature Catalysis、Adv. Mater. 、Angew. Chem. Int. Ed. 发表论文210多篇。获国家授权发明专利37项，其中转化16项，为企业创造经济效益超亿元；申请发明专利26项；起草新产品企业标准2项；获黑龙江省自然科学一等奖2项（第一完成人和第二完成人各1项），浙江省科技成果转化二等奖1项（2012），哈尔滨工业大学教学成果一等奖1项。

陈忠伟教授

陈忠伟教授，现任滑铁卢大学化学工程学院和纳米技术工程中心教授，应用纳米材料与清洁能源实验室主任，滑铁卢大学电化学能源中心主任，加拿大皇家科学院院士，加拿大工程院院士，加拿大首席科学家（Canada Research Chair，Tier I），国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席。现为多个国际知名期刊编委、加拿大国家自然科学与技术基金评委、加拿大国家首席教授评审委员会评委、国际电化学会、美国化学会、美国电化学会、加拿大化学化工学会会员。

陈忠伟院士

以第一作者或通讯作者身份，在Nat. Energy，Nat. Nanotechnol.，Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Edit.，Energ. Environ. Sci.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater. 等国际期刊上发表论文400余篇，被引用38600余次，H因子98；专著3部，章节11章；申请/授权美国、中国和国际发明专利70余项。研究成果多次被Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Edit. 等期刊选为封面论文刊登，进行大篇幅重点报道。

第一作者介绍

赵磊博士

现任哈尔滨工业大学电化学工程系讲师，2017年博士毕业于哈工大电化学工程系，师从王振波教授，2019-2021年在加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士课题组从事访问学者研究工作。主要从事电催化及化学电源领域研究，主持及参与国家自然科学基金，装备发展部项目，军科委重大基础研究计划及其他省部级项目多项。以第一作者/通讯作者在Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Small Methods等国际期刊发表SCI论文25篇，5篇论文入选ESI十年高被引论文，论文被引1500余次，H因子24，获授权国家发明专利9项，获黑龙江省自然科学一等奖1项，黑龙江省高校科学技术一等奖1项。