質(zhì)子交換膜燃料電池的成本和壽命問題是制約其商業(yè)化的主要瓶頸.開發(fā)高效穩(wěn)定的新型非鉑氧還原催化劑是降低電池成本的重要途徑.過渡金屬-氮-碳型非貴金屬催化劑具有較高催化活性、資源豐富、價格低廉等優(yōu)點,被認(rèn)為是未來最有希望替代鉑的氧還原催化劑.本綜述從催化劑的設(shè)計構(gòu)筑、催化層結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及電池測試等方面,對過渡金屬-氮-碳型非貴金屬催化劑的國內(nèi)外最新研究進(jìn)展進(jìn)行了重點討論,并對未來其發(fā)展趨勢提出展望. 

【文章來源】：電化學(xué). 2020,26(04)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

Zn(mIm)2Fe(Ac)2(Phen)6,Zn(mIm)2Fe(Ac)2和Zn(mIm)2TPI的(A)電壓-電流密度極化曲線和(B)功率-電流極化曲線[22].(C)Zn(Im)2,Zn(mIm)2TPIP,Zn(elm)2TPIP和Zn(4abIm)2TPIP的電壓-電流密度極化曲線[23].

圖1 Zn(mIm)2Fe(Ac)2(Phen)6,Zn(mIm)2Fe(Ac)2和Zn(mIm)2TPI的(A)電壓-電流密度極化曲線和(B)功率-電流極化曲線[22].(C)Zn(Im)2,Zn(mIm)2TPIP,Zn(elm)2TPIP和Zn(4abIm)2TPIP的電壓-電流密度極化曲線[23].除了催化劑分漿液，催化層的制備工藝同樣也影響膜電極的性能.目前催化層的制備主要有三種方法，分別是直接刷或噴到氣體擴散層(常用的是Sigracet 25 BC)[10,22,24,36,38,42,44,47-48]或質(zhì)子膜上[30,39-41,49]或先噴涂到PTFE膜上再轉(zhuǎn)印到質(zhì)子膜上[11,34,37].催化劑濃漿直接刷涂到氣體擴散層的方法較為普遍，但是在熱壓到質(zhì)子膜時需要先對催化層表面進(jìn)行修平，防止熱壓過程中催化層的凸起破壞質(zhì)子交換膜.由于氣體擴散層存在一定的孔隙結(jié)構(gòu)，催化劑濃漿有可能堵塞擴散層孔隙，影響氣體的傳輸.將催化劑漿料刷（噴）到質(zhì)子膜上可以簡化熱壓步驟，同時加強催化層與膜之間的相互接觸減少傳輸阻力，但需要特殊的夾具設(shè)計避免質(zhì)子膜的在接觸濃漿時發(fā)生膨脹和變形.將催化劑間接噴涂在PTFE基底上可以使得催化劑分散相對均勻，但將催化層轉(zhuǎn)印到質(zhì)子膜的過程中會造成一部分未成功轉(zhuǎn)印的催化劑損失，且相比前兩種方法多一步熱壓過程，容易造成催化劑層孔洞結(jié)構(gòu)的崩塌.綜上所述，目前還未有定論何種催化層制備方法最適合非貴金屬催化劑，仍需要系統(tǒng)研究.

為了改善催化層過厚所引發(fā)的性能提升瓶頸和耐久性問題，今后需要在以下幾個方面進(jìn)行深入系統(tǒng)研究：1）非貴金屬催化劑的設(shè)計構(gòu)筑不僅需要提升其單位體積的活性位點密度，還應(yīng)著眼于調(diào)控催化劑的孔隙結(jié)構(gòu)和表面的親疏水特性，以提升活性位點的有效利用率；2）優(yōu)化催化劑漿料組成和催化劑分散狀態(tài)以及膜電極制備工藝的同時，應(yīng)結(jié)合先進(jìn)的表征技術(shù)深入研究催化層內(nèi)催化劑和離聚物在三維尺度上的分布狀態(tài)，最大化三相反應(yīng)界面、完善水管理,提升反應(yīng)過程中的氧氣傳輸和質(zhì)子傳輸效率，減小電極歐姆極化和濃差極化，只有這樣非貴金屬催化劑的性能才能在整個電流密度區(qū)間與Pt基催化劑匹敵；3）目前，非貴金屬催化劑面臨的最大挑戰(zhàn)是耐久性問題，關(guān)于其衰減機制的研究需要更加全面地進(jìn)行，結(jié)合實際燃料電池運行條件，綜合評估催化劑活性位點、碳骨架以及催化層的穩(wěn)定性，從而尋找到有效的應(yīng)對策略.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Fe-N共摻雜的碳納米管串聯(lián)空心球?qū)ρ踹�原反應(yīng)的電催化[J]. 張雅琳,陳馳,鄒亮亮,鄒志青,楊輝.  電化學(xué). 2018(06)
[2]基于內(nèi)嵌鈷/氮摻雜多孔碳三維石墨烯籠的抗團(tuán)聚高效氧還原電催化劑[J]. 修陸洋,于夢舟,楊鵬舉,王治宇,邱介山.  電化學(xué). 2018(06)
[3]燃料電池非鉑基氧還原電催化劑的最新研究進(jìn)展[J]. 宋平,阮明波,劉京,冉光鈞,徐維林.  電化學(xué). 2015(02)



本文編號：3473909