論文團(tuán)隊(duì):中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林課題組
論文DIO:10.1002/aenm.202404266
論文期刊:《Advanced Energy Materials》
論文分區(qū):JCR一區(qū)
影響因子:IF:24.4
· 全文速覽 ·
在“碳達(dá)峰、碳中和”時(shí)代背景下,發(fā)展清潔、高效的氫能源成為我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略方向。堿性交換膜燃料電池(AEMFC)具有低成本、非鉑催化材料的技術(shù)優(yōu)勢(shì),有望替代傳統(tǒng)鉑(Pt)催化材料的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)。目前,非鉑催化材料的性能及壽命問題是影響堿性交換膜燃料電池規(guī)模應(yīng)用的重要挑戰(zhàn)。
近日,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林課題組在國(guó)際期刊《Advanced Energy Materials》發(fā)表題為《Ru-MnO Heterostructure Clusters Toward Efficient and CO-Tolerant Alkaline Hydrogen Oxidation Reaction》論文,研究探討一種新型的Ru-MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)(稱為Ru-MnO/C)催化材料在堿性交換膜燃料電池中的反應(yīng)表現(xiàn),引發(fā)業(yè)界關(guān)注。
在Ru-MnO/C異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,團(tuán)簇-團(tuán)簇異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面通過從Ru到MnO的電子轉(zhuǎn)移來改變Ru位點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu),從而優(yōu)化中間體在Ru位點(diǎn)上的吸附。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,該催化劑在堿性介質(zhì)中表現(xiàn)出較高的HOR催化活性,具有高交換電流密度(3.71 mA cm?2)和質(zhì)量活性(0.78 A mg Ru?1)。同時(shí),在H2/O2條件下,堿性交換膜燃料電池的特定峰值功率密度(PPD)為7.0 W mg?1Ru,高于大多數(shù)研究報(bào)道的催化劑材料。更重要的是,該催化劑表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和CO耐受性。這項(xiàng)論文研究工作展示了簇-簇異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面與 HOR 性能之間的相關(guān)性,為今后開發(fā)新型非鉑催化劑材料提供了新的思路,具有重要指導(dǎo)意義。
· 背景介紹 ·
燃料電池是氫能商業(yè)應(yīng)用的重要載體,能夠?qū)錃馀c氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。在目前的燃料電池技術(shù)路線中,與質(zhì)子交換膜燃料電池相比,堿性交換膜燃料電池具有低成本優(yōu)勢(shì),可以使用非鉑催化劑材料進(jìn)行氧還原反應(yīng)(ORR),堿性交換膜燃料電池這一優(yōu)勢(shì)被寄予厚望,認(rèn)為有望替代成本昂貴的質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)。
然而,HOR在堿性介質(zhì)中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)比在酸性環(huán)境中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)左右,貴重鉑基催化劑性能表現(xiàn)并不理想。在電化學(xué)反應(yīng)中,一氧化碳和鉑族金屬(PGM)之間吸附性很強(qiáng),陽極催化劑會(huì)被粗氫中的低濃度一氧化碳毒害,而粗氫又是重要的氫氣來源,工業(yè)生產(chǎn)天然氣合成甲醇工序就可以產(chǎn)生富余氫氣。因此,研究探索具有高CO耐受性的高性能氫氧化反應(yīng)的非鉑催化劑,助力堿性交換膜燃料電池商用化發(fā)展,對(duì)于我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展、有著非常重要的戰(zhàn)略價(jià)值。
· 圖文解析 ·
文章中采用了浸漬法和熱解法合成了Ru-MnO/C異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化劑,并使用XRD、EDS、XPS、STEM、EELS、XAFS等相關(guān)表征技術(shù)對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的表征。隨后利用電化學(xué)測(cè)試評(píng)估了催化劑的HOR活性、穩(wěn)定性和CO耐受性等。電化學(xué)測(cè)試結(jié)果下圖所示:
發(fā)現(xiàn)Ru-MnO/C的HOR極化曲線表現(xiàn)出急劇的電流響應(yīng),非常接近能斯特極限。并且,在0到0.1 V的范圍內(nèi),Ru-MnO/C的陽極電流密度高于其他催化劑,這表明與Ru/C、PtCcom和RuCcom催化劑相比,所開發(fā)的催化劑具有更you越的氫氧化反應(yīng)活性。為了定量評(píng)估它們的反應(yīng)速率和活性,測(cè)試了不同催化劑在不同旋轉(zhuǎn)速度下的極化曲線(見圖3b)。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加,由于質(zhì)量傳輸?shù)母纳疲娏髅芏纫蚕鄳?yīng)增加。
為了驗(yàn)證所制備催化劑在陰離子交換膜燃料電池(AEMFCs)中的應(yīng)用,進(jìn)一步采用了Ru-MnO/C作為陽極催化劑(負(fù)載量為0.1 mgRu cm-2)和PtCcom作為陰極催化劑(負(fù)載量為0.4 mgPt cm-2)來測(cè)試AEMFCs的性能,表現(xiàn)出顯著的穩(wěn)定性和CO耐受性。
· 總結(jié)展望 ·
近年來,學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)堿性交換膜燃料電池(AEMFC)技術(shù)投入了ji高的關(guān)注,希望擺脫了傳統(tǒng)的銥/鉑貴金屬催化材料依賴,破除氫能發(fā)展阻礙,實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所徐維林課題組這項(xiàng)基于新型Ru-MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)催化材料的論文研究,為我們拓展了新的思路。
目前,堿性交換膜燃料電池研究正處于高速發(fā)展的階段,國(guó)內(nèi)外已有很多科研人員致力于新型非鉑催化劑領(lǐng)域,在電催化材料方面各種探索突破,我們有理由相信,堿性交換膜燃料電池研究會(huì)迎來重大突破!
· 儀器簡(jiǎn)介 ·
該項(xiàng)論文研究工作使用理化(香港)有限公司提供的DSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)電極裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
DSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)電極裝置具有“數(shù)字型、一體化、更靜音”的技術(shù)特點(diǎn),是新一代RRDE儀器,可與主流電化學(xué)工作站搭配使用,配件耗材全面兼容,已在國(guó)內(nèi)多所高校實(shí)驗(yàn)室交付使用,助力老師同學(xué)們做出更漂亮的譜圖效果,客戶體驗(yàn)ji佳。
咨詢購(gòu)買DSR數(shù)字型旋轉(zhuǎn)圓盤圓環(huán)電極裝置,可聯(lián)系理化(香港)有限公司區(qū)域銷售經(jīng)理
相關(guān)產(chǎn)品
免責(zé)聲明
- 凡本網(wǎng)注明“來源:化工儀器網(wǎng)”的所有作品,均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-化工儀器網(wǎng)合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品,未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的,應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用,并注明“來源:化工儀器網(wǎng)”。違反上述聲明者,本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。
- 本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其他來源(非化工儀器網(wǎng))的作品,目的在于傳遞更多信息,并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé),不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時(shí),必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源,并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。
- 如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題,請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系,否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。