離子液體是聚合物電解質(zhì)燃料電池催化劑層中用于增強氧還原反應(yīng)的一種很有前景的添加劑。然而，需要對其在實際相關(guān)膜電極組裝環(huán)境中復(fù)雜催化劑層中的作用有基本的了解，以便合理設(shè)計高耐用活性的鉑基催化劑。近日，美國加州大學(xué)Iryna V. Zenyuk課題組探索了三種高質(zhì)子導(dǎo)電性和氧溶解度咪唑衍生的離子液體，將它們加入高表面積的炭黑載體中。揭示了離子液體改性催化劑的物理性質(zhì)和電化學(xué)性能之間的相關(guān)性，為離子液體在改變催化劑層界面內(nèi)親水性/疏水性相互作用方面的作用提供了直接證據(jù)。通過優(yōu)化界面設(shè)計得到的催化劑在H2/O2，0.9V下質(zhì)量活性達到了347 A g−1Pt，在1.5 bar H2/air條件下，功率密度為0.909 W cm−2。在0.8 A cm−2條件下，經(jīng)過30 k加速應(yīng)力測試循環(huán)后，只有0.11 V的電位下降。這種性能歸功于ILs的加入， 使得埋在孔內(nèi)的鉑的可達，從而大幅提高鉑利用率。

 

相關(guān)成果以“Revealing the role of ionic liquids in promoting fuel cell catalysts reactivity and durability”為題發(fā)表在國際頂級期刊Nature Communications上。

 

 

 

近日，伊利師范大學(xué)與北京科技大學(xué)環(huán)境與能源納米材料交叉團隊合作報道了一種中空鈷鐵氧體納米纖維耦合碳納米管納米纖維基導(dǎo)線材料，該材料主要通過電紡聚乙烯吡咯烷酮、鐵和鈷鹽前驅(qū)體溶液、熱解及原位混合過程制得。這種納米纖維基導(dǎo)線材料具有三維多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，可為微生物的附著提供較大的空間。另外，中空鈷鐵氧體納米纖維中的鈷和鐵離子的變化合價效應(yīng)可以調(diào)控微生物種間電子傳輸，碳納米管可以改善鈷鐵氧體納米纖維表面的導(dǎo)電性，降低電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻。基于以上優(yōu)點，將中空鈷鐵氧體納米纖維耦合碳納米管應(yīng)用于MFC陽極，顯著提升了陽極表面微生物的含量、陽極比電容、及MFC的產(chǎn)電性能。最大輸出功率達到了2290 mW m−2，約是純碳布陽極的4.6倍。較高的輸出功率可為電子器件供電，本研究為構(gòu)筑陽極界面結(jié)構(gòu)以提高MFC整體性能提供了一種新思路。相關(guān)成果以“Hollow cobalt ferrite nanofibers integrating with carbon nanotubes as microbial fuel cell anode for boosting extracellular electron transfer”發(fā)表在知名期刊Applied Surface Science上。北京科技大學(xué)博士研究生劉遠峰為第一作者，周光明教授和李從舉教授為論文共同通訊作者。

 

 

 

PGM催化劑的本征質(zhì)量活性（MA）由比面積活性（SA）和電化學(xué)表面積（ECSA）決定。一方面，提高PGM催化劑的SA，即通過提高單個活性位點的轉(zhuǎn)換頻率（TOF），可以在超低PGM負載量的情況下確保整個燃料電池裝置的高催化活性。然而TOF的提升無疑會增加物質(zhì)輸運的壓力，因為這意味需要向單個活性位點更快地傳輸反應(yīng)物同時更快地移走產(chǎn)物。快速的傳質(zhì)也會加快Pt原子的溶解，造成催化劑在PEMFC運轉(zhuǎn)過程中加速失活。同時，膜電極（MEA）中氧氣傳輸?shù)淖璧K與催化位點的數(shù)目成反比，在超低PGM負載量的情況下活性位點的數(shù)目已處于極限狀態(tài)，少量催化劑的性能下降（由催化劑顆粒聚集和由Ostwald熟化導(dǎo)致的催化劑顆粒增大從而使燃料電池內(nèi)位點減少）就會造成氧氣傳輸阻礙的顯著提高，最終造成顯著的性能降低。另一方面，減少催化劑的尺寸，構(gòu)造超細小的納米催化劑，使其具有高的ECSA，也是解決超低PGM負載時催化活性受限問題的一個思路。然而，具有高的表面積-體積比的超細小納米顆粒在在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定的，使得納米顆粒傾向于通過物理聚集或者Ostwald熟化過程發(fā)生顯著的長大，這會造成ECSA以及MA的逐步損失，穩(wěn)定性難以滿足要求。因此超低PGM負載的PEMFCs的長程穩(wěn)定性的實現(xiàn)面臨十分嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，這要求在納米催化劑的設(shè)計中兼顧催化劑尺寸的超細小以及卓越的穩(wěn)定性。

 

 

 

近日，內(nèi)蒙古科技大學(xué)安勝利教授（第一通訊作者）和澳大利亞西澳大學(xué)楊虹教授（共同通訊作者）等人報道了一項關(guān)于在實際燃料電池工況下，高耐久性Ba摻雜LSCF（La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ）正極材料的研制。通過Ba摻雜LSCF陰極構(gòu)建的對稱電池在3%的加濕空氣中800℃下暴露于Fe-Cr合金測試120h后，電池的極化電阻仍然很低（0.06 Ωcm2）。而未摻雜的LSCF經(jīng)過Cr暴露測試后，電池的極化電阻從原始電池的0.22 Ωcm2增加到2.18 Ωcm2，增加了約10倍。此外，在750℃的典型SOCF操作條件下，陽極支撐的完整電池進行測試時，摻雜Ba的LSCF陰極具有顯著的低降解率，且降解率分別為0.00056% h−1（無Cr）和0.00310% h−1（有 Cr），兩者都遠低于使用未摻雜LSCF陰極的電池（無Cr的0.00124% h−1和有Cr的0.01082% h−1）。與未摻雜的LSCF相比，摻雜Ba的LSCF陰極所表現(xiàn)出的耐久性和耐鉻性的增強源于其更高的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和更好的化學(xué)耐受性。研究成果以題為“Improved Durability of High-performance Intermediate-temperature Solid Oxide Fuel Cells with Ba-doped La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ Cathode”發(fā)布在國際著名期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。博士研究生謝滿意為第一作者，蔡長焜博士為共同一作。

 

 

近日，美國紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授、卡耐基梅隆大學(xué)Shawn Litster、橡樹嶺國家實驗室David A. Cullen、印第安納大學(xué)與普渡大學(xué)印第安納波利斯聯(lián)合分校謝建教授、匹茲堡大學(xué)王國峰教授和阿貢國家實驗室Deborah J. Myers（共同通訊作者）等人報道了一種Fe-N-C催化劑，通過工程設(shè)計FeN4位點的C結(jié)構(gòu)和配位環(huán)境，其不僅具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，而且保持了足夠高的活性。由ZIF-8前驅(qū)體制備的封裝Fe2O3納米顆粒的Fe-N-C催化劑，經(jīng)高溫氯化氨（NH4Cl）臨界處理后的碳結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大量缺陷；再利用化學(xué)氣相沉積（CVD）在NH4Cl處理的Fe-N-C催化劑上沉積N-摻雜碳薄層，提高了穩(wěn)定性。盡管初始活性相對較低，但是膜電極組件（MEA）中的CVD涂層催化劑在相同的加速應(yīng)力測試（AST）后仍保持與Pt/C催化劑相當(dāng)?shù)男阅堋嶒灉y試發(fā)現(xiàn)，該Fe-N-C催化劑在0.67 V下可以穩(wěn)定運行超過300 h。該工作改進代表了開發(fā)可行的Fe-N-C催化劑以克服氫燃料電池在眾多應(yīng)用中的成本障礙的關(guān)鍵一步。研究成果以題為“Atomically dispersed iron sites with a nitrogen-carbon coating as highly active and durable oxygen reduction catalysts for fuel cells”發(fā)布在國際著名期刊Nature Energy上。

 

 

 

近日，香港科技大學(xué)邵敏華教授、南方科技大學(xué)谷猛教授和美國阿貢國家實驗室Khalil Amine（共同通訊作者）等人報道了一種由原子分散的Pt和Fe單原子以及Pt-Fe合金納米顆粒組成的混合電催化劑。燃料電池性能測試表明，該電催化劑的Pt質(zhì)量活性比商用Pt/C的高3.7倍。更重要的是，即使陰極中Pt負載量降低至0.015 mgPt cm-2時，該燃料電池顯示出優(yōu)異的耐久性，在100000次循環(huán)后仍具有97%的活性保持率，并且在0.6 V下運行超過200 h后沒有明顯的電流衰減。這些結(jié)果突出了混合電催化劑中活性位點之間協(xié)同效應(yīng)的重要性，并為設(shè)計用于電化學(xué)器件的更活潑、更耐用的低Pt基電催化劑提供了一種新方法。研究成果以題為“Atomically dispersed Pt and Fe sites and Pt-Fe nanoparticles for durable proton exchange membrane fuel cells”發(fā)布在國際著名期刊Nature Catalysis上。

 

 

 

今日，美國愛達荷國家實驗室丁冬教授和吳巍研究員，麻省理工學(xué)院李巨教授和Yanhao Dong（共同通訊作者）提出了一種酸處理策略，在與氧電極結(jié)合之前恢復(fù)高溫退火的電解質(zhì)表面，證明了其可以完全恢復(fù)電化學(xué)電池中的理論質(zhì)子電導(dǎo)率，并明顯提高電池性能以及熱機械性能和電化學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，降低的電池阻抗提高了PCEC和PCFC的全電池性能。在1.4 V和600℃下 10分鐘酸處理的電池中顯示出比未經(jīng)處理的電池增加2.8倍，電流密度達到3.07 A cm-2。此外，與未處理的電池相比，10分鐘處理的電池表現(xiàn)出更高的法拉第效率和H2產(chǎn)率。在 PCFC 中，相同電壓下處理過的電池中的電流密度（正）也更高。在10分鐘處理的電池中，在600℃下峰值功率密度Pmax比未處理的電池增加了2.5倍，達到1.18 W cm-2。同樣，經(jīng)過10分鐘處理的電池在整個研究溫度范圍內(nèi)均表現(xiàn)出最好的電化學(xué)性能。除了陶瓷燃料電池之外，界面工程和專門設(shè)計的加工技術(shù)對其他電化學(xué)材料和設(shè)備也至關(guān)重要，例如鋰離子電池的氧化物正極，全固態(tài)電池和金屬-陶瓷界面。