甲醇燃料电池单金属位点催化剂的突破性进展
甲醇作为(wéi)燃料电池的(de)能量,比氢能更容易储存和转(zhuǎn)移。甲(jiǎ)醇燃料电池可广泛应用于移动电子(zǐ)设备中。众所周知,非贵金属(PGM-free)单原子(zǐ)(M-N-C)氧还原催(cuī)化剂质子交换膜燃料电池(PEMFC)其优点是催(cuī)化剂成本大大降低(dī)。PGM-free单原子氧还原催化剂*大的优点是选择性高,甲醇耐受性优越,减少了传统(tǒng)阴极贵金(jīn)属催化剂(jì)甲醇膜渗透的交(jiāo)叉反应,为未来高浓度甲醇获得高功(gōng)率密度的甲醇(chún)燃(rán)料电池提供了相当大的应用前景。 *近,纽约州立大学布法罗分校(xiào)(SUNY-UB)武刚教授团队与德克萨斯大学奥斯汀分校刘教授、俄勒(lè)冈州立大学冯振兴教授合作Energy&EnvironmentalScience报告称,非贵金属单(dān)原子催化剂在甲醇燃(rán)料电池性(xìng)能测试方面取得了突破(1)。纽约州立大学(xué)布法罗博士后石秋荣、何杨华博士生、德克萨斯大学奥斯汀博士生白晓万是共同的第一作者。 1.PGM-freeM-N-C燃料电池催化剂在甲醇(chún)燃料电池中的应用(yòng)。 本文的第一个亮点是从实验和理论计算的角度研(yán)究PGM-free甲醇耐受性机制是单原(yuán)子(zǐ)氧还原催化剂。 M-N-C以及N-C甲醇(chún)耐受性试验表征。 燃料电池催化剂,催化剂是在含有不同浓度甲醇溶液的酸性介质中测试的SCV比较曲线(2)M-N-C(M=Fe,Co,Mn)以及非金属N-C催化剂的甲醇耐受性和(hé)甲醇对不同活性(xìng)位点的吸(xī)附性。实验可以(yǐ)得(dé)出(1)2M催化剂中甲醇浓度ORR性能的影响可以忽略不计;(2)甲(jiǎ)醇的添加不影响ORR四电子(zǐ)反应过程(chéng);(3)相对于MNx甲醇更倾向于吸附吡啶氮活性(xìng)位点;(4)甲醇在M-N-C催化剂的(de)吸附涉及电化学过程,而不是简单的物理或静电吸附;(5)随着(zhe)甲醇浓度的(de)增加,溶(róng)液(yè)的溶解氧量和氧分子(zǐ)的运(yùn)动率有一(yī)定的影响ORR活性。 3.DFT甲醇在无(wú)电压和不同施加电压下吸附计算的活性(xìng)位点。 此外,理论计算也是(shì)第一次通过施(shī)加电压来计算不同活性位点在不同电压下对甲醇的吸附能(néng)。如3所示,计算结果表明(1)与吡啶氮相比,CoNx以及(jí)MnNx,FeNx活性位点显示甲醇耐受性*高;(2)MNx施加电压(yā)改变了(le)金属3d电子轨道与甲醇分子(zǐ)中(zhōng)氧原子电子轨道的杂(zá)化会随着(zhe)应用电压的(de)增加而增加吸附能力,吡啶氮与甲醇分子中氧原子相距较远,没有电子轨道杂化,因此电压变化(huà)对吸附能力没有显著变(biàn)化(huà)。M-N-C未来将研究催(cuī)化剂中活性位点甲醇吸附的机理PGM-freeM-N-C酒精燃料电池中催化剂的应用研究具有(yǒu)指导意义。 4.先掺杂Co后吸附Fe合成Fe/Co-N-C示意。制氢电解槽 本文的第二个亮点是M-N-C材料设计。与传统的双金属掺杂不同,本文采用分步掺(chān)杂和(hé)吸附的(de)方法合成,利用金属(shǔ)间的(de)协同效应(yīng)提高催化剂的性能Fe/Co-N-C双金属催化剂优化催化剂的孔径,提高催化剂的传(chuán)质效果(4所示)。Co第二步是掺杂ZIF-去除8中(zhōng)锌,调节孔径,改善传质,促进(jìn)Fe吸附对增(zēng)加(jiā)活性位(wèi)点(diǎn)起着关键作(zuò)用。BET也证明了表征Co掺杂能有效提高中孔密度,达到提(tí)高传质的效果。EELS分析(5)和XANES也证明(míng)了表征FeN4以及CoN4形成活(huó)性位点。 5.HAADF-STEM-EELS分析。 第三个亮点是氢-空气燃料电(diàn)池性能突破。团队首先使用旋转圆盘电极(RRDE)对材料的催化性能(6)进行测试和质子交换膜(mó)燃料电池评估。第(dì)一步是(shì)优化掺杂Co/Zn第(dì)二步吸附的(de)比(bǐ)例Fe的含(hán)量,RRDE酸性介质试验中氧还(hái)原E1/2可达到0.85V。质(zhì)子交换膜燃料电(diàn)池试验结果表明,通过调(diào)整Co混合能有效(xiào)提高传质效果,优化峰功率密度可达500mW/cm以上,再次证明Co掺(chān)杂能有效改善催化剂中的孔结构。制氢电解槽 6.催化剂在RRDE以及PEMFC性能表征。 本文的第(dì)四个亮点是将催化剂应用于甲醇(chún)燃料电池测试(shì)(7),并取得优异(yì)的性能(néng)。在(zài)甲醇-空气电(diàn)池测(cè)试中Fe/Co-N-C催化剂在不同(tóng)甲醇浓度下的开路电压和峰值功率(lǜ)密度。与贵金属催(cuī)化剂相比,这种双金属(shǔ)催化剂具有相当优异的(de)甲醇耐受(shòu)性、较高的开路电压(yā)和较小的(de)高浓度甲醇性能衰减。M-N-C该工作首次获得了135mW/cm2的功(gōng)率密度远高于(yú)以前(qián)的任何功(gōng)率密(mì)度PGM-freeM-N-C甲醇-空气电池(chí)试验中催化剂的性能。 7.甲醇-空气燃料电池催化剂的性(xìng)能表征(zhēng)(A和D:Fe/Co-N-C,B和E:Pt/C)。 此文章为M-N-C催化剂用于其他燃料电池,如直接乙醇燃料电池和直接(jiē)氨燃(rán)料电池,提供了更广阔的(de)应用前景。 制氢(qīng)电解槽
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