最新 Nature Energy：里程碑式功率密度！AEMFCs新突破

【背景介绍】

低温聚合物电解质燃料电池被认为是运输系统和便携式设备的最终电源，但需要克服相当大的成本障碍。美国能源部（DOE）对轻型车辆燃料电池系统的长期目标是每年生产50万辆，成本为US$30 kW_net^-1。因此，一些研究人员将工作化学物质从酸性改为碱性，以制造阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs），从而进一步降低成本。近年来，AEMFCs的性能和耐用性大幅提高，能够在H₂/O₂下实现3.5 W cm^-2的峰值功率密度，并在电压衰减小于5%的情况下连续运行2000 h以上。对比质子交换膜燃料电池（PEMFCs），AEMFCs能使用更便宜的膜、更广泛的双极板材料和增强的氧还原反应（ORR）动力学，可以使成本更低。然而，上述AEMFCs需要都是使用阳极和阴极均具有高负载量的铂族金属（PGM）基催化剂。通常，有两种策略可以降低运行燃料电池中的PGM含量，即降低PGM的负载量或开发不含PGM的催化剂。其中，在两个电极上制备具有低PGM负载量的超薄催化剂层难以实现。因此，需要开发一些无PGM催化剂，但是目前还没有关于PEMFCs或AEMFCs的高性能无PGM阳极催化剂的报道。

【成果简介】

近日，美国南卡罗来纳大学哥伦比亚分校William E. Mustain（通讯作者）等人报道了一种高性能的商用氧还原催化剂，该催化剂是专门为在碱性介质中运行而开发的，并在阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）的阴极中进行了演示。在H₂/O₂反应气体中，作者使用Fe-N-C阴极制成的AEMFCs的峰值功率密度超过了2 W cm^-2，而在H₂/空气中，其也超过了1 W cm^-2。同时，Fe-N-C阴极能以非常好的电压耐久性运行超过150 h。此外，这些AEMFCs还实现了在电压为0.9 V（iR-free）下具有100 mA cm^-2的电流密度。在第二种配置中，与低负载PtRu/C阳极（0.125 mg PtRu per cm²，0.08 mg Pt per cm²）配对的Fe-N-C阴极的比功率为10.4 W per mg PGM（16.25 W per mg Pt）。研究成果以题为“High-performing commercial Fe-N-C cathode electrocatalyst for anion-exchange membrane fuel cells”发布在国际著名期刊Nature Energy上。

【图文解读】

图一、Fe-N-C ORR催化剂的合成途径和所需结构示意图

图二、Fe-N-C的物理化学表征
（a）记录的和解卷积的XRD图案显示碳的峰，以及不同的Si和Fe基成分；

（b）催化剂碳结构的拉曼光谱；

（c）从归一化为孔径（D）区间的对数的比体积的微分获得的催化剂的吸附和解吸孔径分布；

（d）通过DLS测量的催化剂的粒度分布。

图三、Fe-N-C的形态和元素分布
（a）Fe-N-C催化剂孔结构的场效应SEM（FESEM）图像；

（b）Fe-N-C初级粒子的TEM图像；

（c）Fe-N-C催化剂的Z-对比STEM图像；

（d-i）催化剂的SEM图像和O、Si、N、Fe和C的EDS元素分布图。

图四、Fe-N-C催化剂的原子分辨STEM图像
（a）由单个Fe原子包围的示例性小半球形纳米颗粒；

（b）三维N-C载体样品区域上的单个Fe原子；

（c）原子分散的单个Fe原子在Fe-N-C催化剂孔的边缘；

（d）在孔的边缘圈出单个Fe原子，以更好地可视化。

图五、商用Fe-N-C催化剂用于ORR时的活性和选择性
（a）在扫描速率为20 mV s^-1和室温下，Fe-N-C在O₂饱和的KOH（0.10 M）水溶液中的循环伏安图；

（b）在不同旋转速率下，Fe-N-C在O₂饱和的KOH（0.10 M）水溶液中的ORR线性扫描极化曲线（10 mV s^-1）；

（c-d）Fe-N-C催化剂上每个O₂分子转移的电子数（n）和过氧化氢（H₂O₂%）的产率作为整个实验范围内的电位函数和该范围内电位的函数0.6-1.0 V。

图六、具有Fe-N-C阴极的AEMFC的性能和稳定性
（a）H₂/O₂ AEMFC的电流密度-电压（实线）和电流密度-功率密度（虚线）曲线；

（b）在600 mA cm^-2的恒定电流密度下，记录的电压、HFR和电流与时间曲线；

（c）H₂/空气（无CO₂）燃料电池的电流密度-电压（实线）和电流密度-功率密度（虚线）曲线；

（d）低PGM燃料电池的电流密度-电压（实线）和电流密度-功率密度（虚线）曲线；

（e）恒定电位保持0.9 V（iR-corrected）下，以确定电池的动力学电流；

（f）具有极低PGM负载阳极（0.125 mg cm^-2 PtRu）的燃料电池耐久性数据。

图七、单电池性能比较
（a-b）H₂/O₂ AEMFC的电流密度-电压和电流密度-功率密度曲线，与已报道的无PGM阴极进行比较；

（c-d）H₂/O₂ AEMFC的电流密度-电压和电流密度-功率密度曲线，与已报道的PEMFC无PGM的阴极数据进行比较；

（e）比较不同AEMFCs与H₂/O₂的比峰值功率，包括最先进的PGM型电池和无PGM电催化剂的电池。

【小结】

综上所述，作者测试了一种商用Fe-N-C基不含PGM的非关键资源材料（CRM）催化剂，该催化剂可替代AEMFC阴极中的PGM基催化剂，而不会严重损失性能。RDE测量表明，Fe-N-C催化剂表现出高活性，半波电位为0.846 V，在整个使用电位范围内（0.5-0.85 V vs RHE）能完全还原四电子的氧。当集成到H₂/O₂ AEMFC中时，使用该Fe-N-C电催化剂制成的阴极达到超过2 W cm^-2的高峰值功率密度（质量传输控制电流密度>7 A cm^-2）。催化剂也表现出良好的原位动力学。具体而言，在电压为0.9 V（iR-free）下电流密度达到了100 mA cm^-2，超过了DOE对无PGM阴极达到44 mA cm^-2的目标。此外，值得注意的是，这种非CRM催化剂在最初的150 h耐久性试验期间也能够稳定运行。通过向阴极输送无CO₂空气，Fe-N-C AEMFC还实现了1 W cm^-2的里程碑式功率密度（质量传输控制电流密度>3.6 A cm^-2）。在第二种配置中，将Fe-N-C阴极与低负载PtRu/C阳极电极配对，以产生PGM总负载仅为0.125 mg_PtRu cm-2（0.08 mg_Pt cm^-2）的AEMFC，其峰值功率输出为10.4 W mg_PGM^-1（16.25 W mg_Pt^-1），超过了DOE 2022年AEMFC初始性能。

文献链接：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编译。

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