最新 Nature Energy：里程碑式功率密度！AEMFCs新突破

【背景介紹】

低溫聚合物電解質燃料電池被認為是運輸系統和便攜式設備的最終電源，但需要克服相當大的成本障礙。美國能源部（DOE）對輕型車輛燃料電池系統的長期目標是每年生產50萬輛，成本為US$30 kW_net^-1。因此，一些研究人員將工作化學物質從酸性改為堿性，以制造陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs），從而進一步降低成本。近年來，AEMFCs的性能和耐用性大幅提高，能夠在H₂/O₂下實現3.5 W cm^-2的峰值功率密度，并在電壓衰減小于5%的情況下連續運行2000 h以上。對比質子交換膜燃料電池（PEMFCs），AEMFCs能使用更便宜的膜、更廣泛的雙極板材料和增強的氧還原反應（ORR）動力學，可以使成本更低。然而，上述AEMFCs需要都是使用陽極和陰極均具有高負載量的鉑族金屬（PGM）基催化劑。通常，有兩種策略可以降低運行燃料電池中的PGM含量，即降低PGM的負載量或開發不含PGM的催化劑。其中，在兩個電極上制備具有低PGM負載量的超薄催化劑層難以實現。因此，需要開發一些無PGM催化劑，但是目前還沒有關于PEMFCs或AEMFCs的高性能無PGM陽極催化劑的報道。

【成果簡介】

近日，美國南卡羅來納大學哥倫比亞分校William E. Mustain（通訊作者）等人報道了一種高性能的商用氧還原催化劑，該催化劑是專門為在堿性介質中運行而開發的，并在陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）的陰極中進行了演示。在H₂/O₂反應氣體中，作者使用Fe-N-C陰極制成的AEMFCs的峰值功率密度超過了2 W cm^-2，而在H₂/空氣中，其也超過了1 W cm^-2。同時，Fe-N-C陰極能以非常好的電壓耐久性運行超過150 h。此外，這些AEMFCs還實現了在電壓為0.9 V（iR-free）下具有100 mA cm^-2的電流密度。在第二種配置中，與低負載PtRu/C陽極（0.125 mg PtRu per cm²，0.08 mg Pt per cm²）配對的Fe-N-C陰極的比功率為10.4 W per mg PGM（16.25 W per mg Pt）。研究成果以題為“High-performing commercial Fe-N-C cathode electrocatalyst for anion-exchange membrane fuel cells”發布在國際著名期刊Nature Energy上。

【圖文解讀】

圖一、Fe-N-C ORR催化劑的合成途徑和所需結構示意圖

圖二、Fe-N-C的物理化學表征
（a）記錄的和解卷積的XRD圖案顯示碳的峰，以及不同的Si和Fe基成分；

（b）催化劑碳結構的拉曼光譜；

（c）從歸一化為孔徑（D）區間的對數的比體積的微分獲得的催化劑的吸附和解吸孔徑分布；

（d）通過DLS測量的催化劑的粒度分布。

圖三、Fe-N-C的形態和元素分布
（a）Fe-N-C催化劑孔結構的場效應SEM（FESEM）圖像；

（b）Fe-N-C初級粒子的TEM圖像；

（c）Fe-N-C催化劑的Z-對比STEM圖像；

（d-i）催化劑的SEM圖像和O、Si、N、Fe和C的EDS元素分布圖。

圖四、Fe-N-C催化劑的原子分辨STEM圖像
（a）由單個Fe原子包圍的示例性小半球形納米顆粒；

（b）三維N-C載體樣品區域上的單個Fe原子；

（c）原子分散的單個Fe原子在Fe-N-C催化劑孔的邊緣；

（d）在孔的邊緣圈出單個Fe原子，以更好地可視化。

圖五、商用Fe-N-C催化劑用于ORR時的活性和選擇性
（a）在掃描速率為20 mV s^-1和室溫下，Fe-N-C在O₂飽和的KOH（0.10 M）水溶液中的循環伏安圖；

（b）在不同旋轉速率下，Fe-N-C在O₂飽和的KOH（0.10 M）水溶液中的ORR線性掃描極化曲線（10 mV s^-1）；

（c-d）Fe-N-C催化劑上每個O₂分子轉移的電子數（n）和過氧化氫（H₂O₂%）的產率作為整個實驗范圍內的電位函數和該范圍內電位的函數0.6-1.0 V。

圖六、具有Fe-N-C陰極的AEMFC的性能和穩定性
（a）H₂/O₂ AEMFC的電流密度-電壓（實線）和電流密度-功率密度（虛線）曲線；

（b）在600 mA cm^-2的恒定電流密度下，記錄的電壓、HFR和電流與時間曲線；

（c）H₂/空氣（無CO₂）燃料電池的電流密度-電壓（實線）和電流密度-功率密度（虛線）曲線；

（d）低PGM燃料電池的電流密度-電壓（實線）和電流密度-功率密度（虛線）曲線；

（e）恒定電位保持0.9 V（iR-corrected）下，以確定電池的動力學電流；

（f）具有極低PGM負載陽極（0.125 mg cm^-2 PtRu）的燃料電池耐久性數據。

圖七、單電池性能比較
（a-b）H₂/O₂ AEMFC的電流密度-電壓和電流密度-功率密度曲線，與已報道的無PGM陰極進行比較；

（c-d）H₂/O₂ AEMFC的電流密度-電壓和電流密度-功率密度曲線，與已報道的PEMFC無PGM的陰極數據進行比較；

（e）比較不同AEMFCs與H₂/O₂的比峰值功率，包括最先進的PGM型電池和無PGM電催化劑的電池。

【小結】

綜上所述，作者測試了一種商用Fe-N-C基不含PGM的非關鍵資源材料（CRM）催化劑，該催化劑可替代AEMFC陰極中的PGM基催化劑，而不會嚴重損失性能。RDE測量表明，Fe-N-C催化劑表現出高活性，半波電位為0.846 V，在整個使用電位范圍內（0.5-0.85 V vs RHE）能完全還原四電子的氧。當集成到H₂/O₂ AEMFC中時，使用該Fe-N-C電催化劑制成的陰極達到超過2 W cm^-2的高峰值功率密度（質量傳輸控制電流密度>7 A cm^-2）。催化劑也表現出良好的原位動力學。具體而言，在電壓為0.9 V（iR-free）下電流密度達到了100 mA cm^-2，超過了DOE對無PGM陰極達到44 mA cm^-2的目標。此外，值得注意的是，這種非CRM催化劑在最初的150 h耐久性試驗期間也能夠穩定運行。通過向陰極輸送無CO₂空氣，Fe-N-C AEMFC還實現了1 W cm^-2的里程碑式功率密度（質量傳輸控制電流密度>3.6 A cm^-2）。在第二種配置中，將Fe-N-C陰極與低負載PtRu/C陽極電極配對，以產生PGM總負載僅為0.125 mg_PtRu cm-2（0.08 mg_Pt cm^-2）的AEMFC，其峰值功率輸出為10.4 W mg_PGM^-1（16.25 W mg_Pt^-1），超過了DOE 2022年AEMFC初始性能。

文獻鏈接：High-performing commercial Fe-N-C cathode electrocatalyst for anion-exchange membrane fuel cells. Nature Energy, 2021, DOI: 10.1038/s41560-021-00878-7.

本文由CQR編譯。

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