UCLA黄昱教授Matter：调节碳表面的化学性质实现高性能燃料电池

【引言】

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）已经广泛应用于汽车、无人机、潜艇等移动设备，从而引起了人们的极大兴趣。通常以铂（Pt）为代表的价格昂贵的铂系金属（PGMs）被用作商用PEMFCs中的催化剂，亿促进缓慢的阴极氧气还原反应(ORR)。因此，减少PEMFCs中的PGM使用量对于降低其成本及促进更广泛的应用至关重要。然而，多种高活性催化剂通常只在半电池旋转圆盘电（RDE）测试中表现出突出性能，且半电池RDE测试中实现的性能在实际的PEMFCs中难以实现的。总的来说，尽管研究人员在开发催化剂方面取得了巨大进展，但在实际的PEMFCs中减少PGM载量又能取得的成功案例屈指可数。在实际的PEMFC中，ORR发生在催化剂-电解质-气体三相界面上。为此，有必要进行详细的催化剂-电解质-气体三相界面设计，以促进相关的传质过程，理想的界面应包含出高活性且可用的催化位点，并允许高效地将氧气和质子传输到催化位点并及时排除催化过程产生的水，以获得更好PEMFC性能。

【成果简介】

近日，美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授（通讯作者）等人提出PEFMCs中三相界面设计，表明可以通过调节碳表面化学性质而调控其与离聚物的相互作用，并为快速输送反应物和产物创造有利的运输途径，从而促进PEMFCs中的ORR活性。具体来说，作者使用了一系列不同表面氧含量（分别为2.4%、3.8%和12.0%）的碳材料作为催化剂载体，制备用于膜电极组装（MEA）的阴极催化剂。研究表明，负载含量2.4%表面氧的碳上的催化剂在所有PGM基（以PGM为唯一活性中心）MEA中表现出迄今为止最优异的质量活性（MA）。首次使PEMFC能够显示出所有关键的性能指标，包括ORR的MA、额定功率和催化剂耐久性，从而超过了美国DOE设定的2020年目标。此外，通过分子动力学（MD）模拟表明，碳表面的最佳表面氧比促进了良好的碳-离聚体相互作用和一个由疏水和亲水路径组成的微环境。这同时允许氧分子和质子的有效穿梭，并及时从催化中心去除水，从而为高效ORR提供一个理想的微环境。相关研究成果以“Tailoring a Three-Phase Microenvironment for High-Performance Oxygen Reduction Reaction in Proton Exchange Membrane Fuel Cells”为题发表在Matter上。

 【图文导读】

图一、碳材料的表征

（A，B）碳K-edge和氧K-edge的同步辐射NEXAFS光谱；

（C）ATR-FTIR光谱；

（D，E）C 1s和O 1s的同步辐射XPS图谱；

（F）对三个碳样品的表面氧碳比进行了测量。

图二、MEA测试

（A）在试验开始（BOT）和试验结束（EOT）的H₂/O₂试验中获得的质量活性；

（B-E）H₂/空气测试；

（F）峰值功率密度的比较；

图三、代表性的MEA额定功率和阴极催化剂的EDS图谱分析

（A）H₂/空气极化图进行额定功率评估；

（B）PtNi/C3、PtCo/C3的BOT和EOT额定功率密度比较；

（C）在固定电流密度为0.8 A/cm²的情况下，从BOT到EOT的电压损失；

（D-G）具有代表性的Pt基纳米粒子的STEM图像和EDS元素分析。

图四、碳表面与水合PFSA离子体的界面相互作用

（A）在MD模拟后，离子体和水在碳表面分布的图像；

（B）原子数是指模拟模型中分布在碳表面上方0.3nm距离内的离聚物；

（C）水分子在碳表面上方0.3 nm以内的平均距离；

（D）在80 ℃，RH65%条件下测量的氧气传输阻碍中与压力无关的部分。

 【小结】

本工作表明了碳表面化学对Pt基催化剂在实际PEMFCs中的MEA性能起着至关重要的作用。本工作通过将Pt合金纳米催化剂负载于具有最佳的表面氧含量的碳上，从而生最先进的MEA性能，覆盖所有关键的PEMFC性能指标，包括包括ORR的MA、额定功率和催化剂耐久性，超过美国能源部设定的的2020年目标。这种优异的性能可归因于碳衬底与离聚物之间的良好相互作用，导致离聚物的分布更加均匀在催化剂层和理想的微环境中。同时，由于碳与离聚物的亲水及疏水部分都有较强相互作用，碳与离聚物间包括亲水和疏水路径，促进质子和氧分子向催化中心的供应及水的排除。这些发现突出了三相微环境在促进复杂系统中的催化反应方面的关键作用，并开辟了一条新的途径，大大提高了实用的PEMFCs的性能。

文献链接：“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)

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