【顶刊综述】武汉大学陈胜利教授团队Chem Soc Rev：质子交换膜燃料电池催化剂利用率的结构影响因素- 大数跨境

首页

【顶刊综述】武汉大学陈胜利教授团队Chem Soc Rev：质子交换膜燃料电池催化剂利用率的结构影响因素

科学材料站

2022-02-18

导读：该综述论文从催化层组分间的分子相互作用和微观聚集形态，到载体结构，再到电极宏观结构多维角度分析了影响铂催化剂利用率的结构因素及机制

文章信息

质子交换膜燃料电池催化剂利用率的构效关系及其机制—从分子相互作用到电极宏观结构

第一作者：唐美华

通讯作者：陈胜利*

单位：武汉大学

研究背景

基于可再生能源的氢能体系被广泛认为是解决由化石燃料使用引起的全球能源问题和环境污染的有效方案。质子交换膜燃料电池（PEMFC）以其高效的能量转换效率和环保的排放特性被认为是氢能应用体系中的核心技术，但其大规模商业化目前主要受高初始成本所限。为了降低PEMFC的成本，发展高输出性能的低铂膜电极（MEA）尤为必要。

迄今主要有两个途径来实现膜电极的低铂化：一是设计质量比活性高的新型铂基催化剂，但由于大部分催化剂的稳定性差及批量化生产困难等问题，目前燃料电池汽车用催化剂依然为碳载铂（Pt/C）或碳载铂钴（PtCo/C）；二是通过调节催化层 (CL) 中组分间的相互作用和分布并优化电极结构来提高铂的利用率。

通常，催化层由电子导电的催化剂聚集体和质子导电的离聚物组成。氧气经由孔道结构传输至催化剂颗粒/离聚物的界面处发生电化学反应并产生电流。在催化层中，铂的利用率常被定义为在特定电压下（如0.6 V）单位质量的铂所产生的电流（A/g_Pt），它与参与电化学反应的各种物质（即氧气、质子、水和电子）的传输过程有关。为提升铂的利用率，需要优化催化层中催化剂和离聚物的聚集与分布，以实现高效的电子、质子和气体传输。

文章简介

在这里，来自武汉大学的陈胜利教授团队在国际知名期刊Chemical Society Review上发表题为“Pt utilization in proton exchange membrane fuel cells: structure impacting factors and mechanistic insights”的综述论文。

该综述论文从催化层组分间的分子相互作用和微观聚集形态，到载体结构，再到电极宏观结构多维角度分析了影响铂催化剂利用率的结构因素及机制，这不仅对下一代PEMFC电极的优化设计具有重要意义，也为水电解、CO₂还原和电池等其他电化学能源技术的结构设计和制备提供参考。

图1. 催化层结构及过程对铂利用率的影响

本文要点

要点一：局域氧气传输阻抗（R_local）及铂载量的影响

在催化层的制备过程中，离聚物会在铂表面沉积形成厚度约为6~10 nm的薄膜，氧气在这层离聚物纳米薄膜中的传输十分受限，产生的传输阻抗通常被定义为局域氧气传输阻抗，即R_local。随着膜电极技术进步，催化层大幅度减薄，R_local成为电极极化的主要来源。目前，R_local主要通过在不同的氧气分压下使用极限电流法测得。

大量的研究表明，随着铂载量的降低，R_local会显著增加，使得大电流密度下的铂利用率下降。当前，对于低铂电极内R_local增大的机理解释主要基于传输线模型：随着铂载量的降低，催化层内的传输线减少，使得传输阻抗增大。我们就极限电流测试方法、上述的机理解释展开了细致分析与讨论，发现其在解释低铂电极内铂的利用率下降时存在局限性。

要点二：离聚物的聚集及分布的优化

在本节中，我们详细讨论了影响离聚物聚集及分布的因素，从分子相互作用、尺寸排阻效应和库仑相互作用等机制分别总结了近年来溶剂、碳载体孔结构、碳载体表面性质对铂利用率影响的相关研究。

要点三：催化层宏观结构的优化设计

目前，针对催化层的宏观结构设计主要包含两大类：梯度化设计和纳米阵列设计。由于催化层内各处的过电势、反应物种（质子和氧气等）的浓度不同，所需的催化剂及离聚物含量也应不同，因此对催化层组分进行梯度化设计可在相同载量的情况下提高催化剂的利用率。另一方面，在催化层内形成纳米阵列结构可使反应活性位点充分暴露，并为质子和氧气提供快速的传输通道。

要点四：前瞻

尽管近年来在提升铂的利用率方面取得了许多令人鼓舞的进展，进一步降低铂的用量，促进PEMFC的市场化，催化层的结构、工艺仍需优化，内部的过程机理仍需进一步探索明晰。具体而言，可归纳为以下几个方面：

（1）作为高电流密度区域极化损耗的重要来源，R_l_ocal的形成机制和影响因素值得进一步深入研究;

（2）具有梯度和阵列分布的离聚物和催化剂的有序催化层是提升低铂电极内铂利用率的有效途径，在理解离聚物和催化剂组装行为的基础上，发展具有技术意义的梯度和阵列分布有序催化层的制备方法势在必行；

（3）碳载体的孔结构和表面性质对离聚物分布有重要影响，深入理解载体与离聚物相互作用、多相界面的电流形成机制和相关动力学耦合规律，发展精确控制碳载体的孔结构、几何尺寸及表面性质的方法，是未来需大力研究的方向；

（4）目前仍缺乏有效的原位/工况的谱学表征方法以探索催化层内的真实结构与界面过程；

（5）数值模拟重建对理解PEMFC内的构效关系具有重要意义，DFT计算、分子动力学模拟、格子Boltzmann方法、有限体积方法等不同层级的计算方法应紧密结合，进一步指导低铂电极的设计优化。

文章链接

Pt utilization in proton exchange membrane fuel cells: structure impacting factors and mechanistic insights

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2022/CS/D1CS00981H

通讯作者简介

陈胜利 教授

1996年在武汉大学化学系获得博士学位；分别在 Southern Methodist University 和Imperial College London 博士后研究；2004年4月起为武汉大学化学与分子科学学院教授；主要研究方向为电催化、电极过程动力学、理论与计算电化学；兼任ACS Catalysis、《电化学》期刊编委；获中国电化学青年奖；承担国家自然科学基金委重点项目等；近年来在包括Adv. Energy. Mater, Angew. Chem. Int. Ed, J. Am. Chem. Soc，Chem. Soc. Rev, ACS Nano, ACS Catalysis等期刊发表论文100余篇。