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燃料电池里程碑！今日Nature Energy，超低负载AgPd合金！

邃瞳科学云

2023-11-10

导读：本研究报道了一种利用共物理气相沉积合成的无离聚物超低负载银-钯合金电催化剂阴极的设备平台。该无离聚物阴极可进行系统的 H2-O2AEMFC 实验，同时展示出与三电极电池相当的活性趋势。

第一作者：John C. Douglin, José A. Zamora Zeledón

通讯作者：Dario R. Dekel，Thomas F. Jaramillo，Michaela Burke Stevens

通讯单位：以色列理工学院，美国斯坦福大学，美国SLAC国家加速器实验室

DOI：https://doi.org/10.1038/s41560-023-01385-7

全文速览

催化剂从基础研究到高性能设备的快速转化，可以促进阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）的开发和商业化。由于微环境的差异，从三电极旋转盘电极电池中的材料筛选到AEMFC 的转换会变得复杂，例如固体离聚物/膜与液体电解质。本研究报道了一种利用共物理气相沉积合成的无离聚物超低负载银-钯合金电催化剂阴极的设备平台。该无离聚物阴极可进行系统的 H₂-O₂AEMFC 实验，同时展示出与三电极电池相当的活性趋势。此外，研究表明，基于 Ag₁₀Pd₉₀的 AEMFC 达到了 ~1 W cm_geo^-1 和∼10 W mg_{PGM cathode}^-1的峰值功率密度，满足美国能源部的铂族金属 (PGM) 负载量和成本目标。该方法有望促进三电极研究和 AEMFC 之间的快速转换，为减少 PGM 负载提供了一种简单而有效的设计。

背景介绍

将氢气和氧气（即来自空气）转化为电能的阴离子交换膜燃料电池 (AEMFC) 是一项很有前景的技术。其碱性环境可以改善氧还原反应 (ORR) 动力学以及催化剂材料稳定性。目前，研究人员需要开发铂族金属 (PGM) 燃料电池催化剂的替代品，并解决长期设备耐用性问题。此外，与最先进的质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 相比，当前的高性能 AEMFC 的总 PGM 负载量会高出约 2.7-5 倍。为了推动该领域的发展，本研究设计和开发了一种超低负载、稳定且无 Pt 的 ORR 催化剂，并将其集成到AEMFC 中，作为实现高性能的无离聚物物理气相沉积阴极。为了验证概念，作者选择使用钯来制备合金，因为其在碱性介质中具有长期耐久性。催化剂材料的 ORR 活性通常以旋转盘电极 (RDE) 为基准，可以分析基本的本征材料-活性关系。在具有明确平面/光滑工作电极基板的液体三电极电池中进行 RDE 测试简单、经济高效，并且需要很少的催化剂材料，而燃料电池通常需要更大量的催化剂和更复杂的多组件装置，给系统地确定催化剂的本征特性带来了重大挑战。许多因素都会影响燃料电池的性能，因此，将 RDE 和燃料电池之间的 ORR 活性趋势关联起来可能具有挑战性。

例如，虽然催化剂层中通常需要离聚物以实现足够的离子电导率，但离聚物的组成和结构会影响测量的催化活性，并导致催化剂中毒，并增加传质电阻。一般来说，RDE 和燃料电池性能趋势之间的差异主要归因于系统之间不同的实验条件，例如液体与固体电解质、传质限制和工作电流密度范围。开发减少实验变量的功能性燃料电池系统将有助于将基础研究与高性能设备联系起来。

图文解析

图1. PVD 合成的Ag₁₀Pd₉₀ GDE 的代表性 SEM-EDS 图像。a、b，俯视图 (a) 和横截面图 (b)。

图2. PVD 合成的无离聚物 Ag_1−xPd_x 阴极的 AEMFC 性能。在 60°C 下运行时测得的电池电压 (a) 和功率密度 (b) 与电流密度的函数关系；(c) 选定电池电压下的电流密度与 AEMFC 标称体 Pd 含量的函数关系。在 60°C、100kPa下运行时测得的电池电压 (d) 和功率密度 (e) 与电流密度的函数关系，以及 (f) 选定电池电压下的电流密度与 AEMFC 标称体 Pd 含量的函数关系。g，24 小时稳定性测试，显示在恒定电流密度下电池电压（实线）和 ASR（虚线）与时间的关系。

图3. AEMFC 和 RDE 性能趋势之间的比较。a, 测得的 AEMFC 开路电压 (OCV) 和-0.1 mA 时的 RDE 起始电位 (U_onset)与标称 Pd 负载量 (at%) 的函数关系。Ag_1−xPd_x 归一化 (b) 和 Pd 归一化 (c) AEMFC 质量活性 (M.A.) 和 RDE 比活性(S.A.) 与标称 Pd 负载量 (at%) 的函数关系。

图4. 采用 PVD 合成无离聚物 Ag₁₀Pd₉₀阴极的优化 AEMFC。不同Ag₁₀Pd₉₀负载量的AEMFC 测量的电池电压 (a) 和功率密度 (b) 与电流密度的函数关系。c，代表性稳定性测试，显示在600 mA cm_geo^-1恒定电流密度下电池电压（实线）和 ASR（虚线）与时间的关系。d，在300 mA cm_geo^-1恒定电流密度下的稳定性测试。e，在a 和 b 中使用的阴极的计算质量活性 (M.A.) 值。f，AEMFC 的 H₂-O₂ 极化（实线对应于左 y 轴）和功率密度（虚线对应于右 y 轴）曲线。

图5. 性能和成本的比较。a，本研究超低总 PGM 负载量 AgPd 与选定的代表性低 PGM 负载 AEMFC的热图比较。b，本研究催化剂与文献报道的PGM负载和特定功率的比较。c，本研究催化剂与文献报道的总PGM负载和总催化剂成本的比较。

总结与展望

总的来说，本研究将具有超低负载量 (~80 μg cm_geo^-1) Ag_1−xPd_x合金催化剂的无离聚物阴极通过 PVD 沉积到商用Toray060-MPL GDL 上。通过制备基于这些阴极的 MEA，系统地研究了不同温度下合金成分对 H₂-O₂ AEMFC 性能的影响。研究表明，Ag₁₀Pd₉₀ 的性能优于纯 Pd，在 80°C 时表现出高达 1W cm_geo^-1的高峰值功率密度。此外，本研究实现了超高的阴极 PGM（高达 139 W mg_PGM^-1）或总PGM 负载（高达 4.8 W mg_PGM^-1 ）标准化比功率，该 AEMFC 满足美国能源部的铂族金属总负载量目标，并有可能满足 MEA 的总成本目标。

测得的 AEMFC 性能合金成分趋势与 RDE 中测得的本征 ORR 活性趋势相匹配，展示了从基础研究到更多应用系统的转化路径。因此，基于无离聚物 PVD 的 GDE 平台可以帮助减轻离聚物和复杂催化剂形态的有害影响，这些影响可能导致催化剂界面处的传质阻力、各种类型催化剂的中毒等。从根本上说，这项工作使 AEMFC 评估与使用基于 PVD 的薄膜催化剂的模型 RDE 研究更具可比性，并且从技术角度来看，可以加速高性能设备的发展。

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