UCLA黃昱教授Matter：調節碳表面的化學性質實現高性能燃料電池

【引言】

質子交換膜燃料電池（PEMFCs）已經廣泛應用于汽車、無人機、潛艇等移動設備，從而引起了人們的極大興趣。通常以鉑（Pt）為代表的價格昂貴的鉑系金屬（PGMs）被用作商用PEMFCs中的催化劑，億促進緩慢的陰極氧氣還原反應(ORR)。因此，減少PEMFCs中的PGM使用量對于降低其成本及促進更廣泛的應用至關重要。然而，多種高活性催化劑通常只在半電池旋轉圓盤電（RDE）測試中表現出突出性能，且半電池RDE測試中實現的性能在實際的PEMFCs中難以實現的。總的來說，盡管研究人員在開發催化劑方面取得了巨大進展，但在實際的PEMFCs中減少PGM載量又能取得的成功案例屈指可數。在實際的PEMFC中，ORR發生在催化劑-電解質-氣體三相界面上。為此，有必要進行詳細的催化劑-電解質-氣體三相界面設計，以促進相關的傳質過程，理想的界面應包含出高活性且可用的催化位點，并允許高效地將氧氣和質子傳輸到催化位點并及時排除催化過程產生的水，以獲得更好PEMFC性能。

【成果簡介】

近日，美國加州大學洛杉磯分校黃昱教授（通訊作者）等人提出PEFMCs中三相界面設計，表明可以通過調節碳表面化學性質而調控其與離聚物的相互作用，并為快速輸送反應物和產物創造有利的運輸途徑，從而促進PEMFCs中的ORR活性。具體來說，作者使用了一系列不同表面氧含量（分別為2.4%、3.8%和12.0%）的碳材料作為催化劑載體，制備用于膜電極組裝（MEA）的陰極催化劑。研究表明，負載含量2.4%表面氧的碳上的催化劑在所有PGM基（以PGM為唯一活性中心）MEA中表現出迄今為止最優異的質量活性（MA）。首次使PEMFC能夠顯示出所有關鍵的性能指標，包括ORR的MA、額定功率和催化劑耐久性，從而超過了美國DOE設定的2020年目標。此外，通過分子動力學（MD）模擬表明，碳表面的最佳表面氧比促進了良好的碳-離聚體相互作用和一個由疏水和親水路徑組成的微環境。這同時允許氧分子和質子的有效穿梭，并及時從催化中心去除水，從而為高效ORR提供一個理想的微環境。相關研究成果以“Tailoring a Three-Phase Microenvironment for?High-Performance Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells”為題發表在Matter上。

?【圖文導讀】

圖一、碳材料的表征

（A，B）碳K-edge和氧K-edge的同步輻射NEXAFS光譜；

（C）ATR-FTIR光譜；

（D，E）C 1s和O 1s的同步輻射XPS圖譜；

（F）對三個碳樣品的表面氧碳比進行了測量。

圖二、MEA測試

（A）在試驗開始（BOT）和試驗結束（EOT）的H₂/O₂試驗中獲得的質量活性；

（B-E）H₂/空氣測試；

（F）峰值功率密度的比較；

圖三、代表性的MEA額定功率和陰極催化劑的EDS圖譜分析

（A）H₂/空氣極化圖進行額定功率評估；

（B）PtNi/C3、PtCo/C3的BOT和EOT額定功率密度比較；

（C）在固定電流密度為0.8?A/cm²的情況下，從BOT到EOT的電壓損失；

（D-G）具有代表性的Pt基納米粒子的STEM圖像和EDS元素分析。

圖四、碳表面與水合PFSA離子體的界面相互作用

（A）在MD模擬后，離子體和水在碳表面分布的圖像；

（B）原子數是指模擬模型中分布在碳表面上方0.3nm距離內的離聚物；

（C）水分子在碳表面上方0.3?nm以內的平均距離；

（D）在80?℃，RH65%條件下測量的氧氣傳輸阻礙中與壓力無關的部分。

?【小結】

本工作表明了碳表面化學對Pt基催化劑在實際PEMFCs中的MEA性能起著至關重要的作用。本工作通過將Pt合金納米催化劑負載于具有最佳的表面氧含量的碳上，從而生最先進的MEA性能，覆蓋所有關鍵的PEMFC性能指標，包括包括ORR的MA、額定功率和催化劑耐久性，超過美國能源部設定的的2020年目標。這種優異的性能可歸因于碳襯底與離聚物之間的良好相互作用，導致離聚物的分布更加均勻在催化劑層和理想的微環境中。同時，由于碳與離聚物的親水及疏水部分都有較強相互作用，碳與離聚物間包括親水和疏水路徑，促進質子和氧分子向催化中心的供應及水的排除。這些發現突出了三相微環境在促進復雜系統中的催化反應方面的關鍵作用，并開辟了一條新的途徑，大大提高了實用的PEMFCs的性能。

文獻鏈接：“Tailoring a Three-Phase Microenvironment for?High-Performance Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells”(Matter，2020，10.1016/j.matt.2020.09.025)

本文由材料人CYM編譯供稿。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料人投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu 。