催化学报 ›› 2025, Vol. 72: 254-265.DOI: 10.1016/S1872-2067(24)60285-8

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介孔碗状碳载体促进燃料电池阴极氧气传输

卢明佳a,c,1, 梁锦辉a,1, 曾彬文a, 李威a, 李蕴琪b, 王庆鑫b, 李钰怀c, 陈泓c, 李剑铮c, 陈阳阳a, 梁乐程a, 杜丽a, 相艳b,*(), 廖世军a,*(), 崔志明a,*()   

  1. a华南理工大学化学与化工学院, 广东省燃料电池技术重点实验室, 广东广州 510641
    b北京航空航天大学能源与动力工程学院, 仿生能源材料与器件北京市重点实验室, 多栖平台驱动系统全国重点实验室, 北京 100191
    c广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院, 广东省汽车清洁动力与能源应用技术重点实验室, 广东广州 511434
  • 收稿日期:2024-10-14 接受日期:2025-02-23 出版日期:2025-05-18 发布日期:2025-05-20
  • 通讯作者: *电子信箱: zmcui@scut.edu.cn (崔志明),chsjliao@scut.edu.cn (廖世军),xiangy@buaa.edu.cn (相艳).
  • 作者简介:1共同第一作者.
  • 基金资助:
    广东省重点技术研发计划(2023B0909060003);国家自然科学基金(22372062);国家自然科学基金(22072048);国家自然科学基金(U22A20419);广东省清洁汽车推进与能源应用技术重点实验室(2024B1212020006)

Mesoporous bowl-like carbon support for boosting oxygen transport of fuel cell cathode

Mingjia Lua,c,1, Jinhui Lianga,1, Binwen Zenga, Wei Lia, Yunqi Lib, Qinqxin Wangb, Yuhuai Lic, Hong Chenc, Jianzheng Lic, Yangyang Chena, Lecheng Lianga, Li Dua, Yan Xiangb,*(), Shijun Liaoa,*(), Zhiming Cuia,*()   

  1. aGuangdong Provincial Key Laboratory of Fuel Cell Technology, School of Chemistry and Chemical Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, Guangdong, China
    bNational Key Laboratory of Multi-perch Vehicle Driving Systems, Beijing Key Laboratory of Bio-inspired Energy Materials and Devices, School of Energy and Power Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China
    cGAC automotive research & development center, Guangdong Provincial Key Laboratory of Clean Automotive Propulsion and Energy Application Technology, Guangzhou 511434, Guangdong, China
  • Received:2024-10-14 Accepted:2025-02-23 Online:2025-05-18 Published:2025-05-20
  • Contact: *E-mail: zmcui@scut.edu.cn (Z. Cui), chsjliao@scut.edu.cn (S. Liao), xiangy@buaa.edu.cn (Y. Xiang).
  • About author:1 Contributed equally to this work.
  • Supported by:
    key Technologies R&D Program of Guangdong Province(2023B0909060003);National Natural Science Foundation of China(22372062);National Natural Science Foundation of China(22072048);National Natural Science Foundation of China(U22A20419);Guangdong Provincial Key Laboratory of Clean Automotive Propulsion and Energy Application Technology(2024B1212020006)

摘要:

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有高的能源转换效率以及零碳排放等优点, 被广泛认为是一种有前景的动力电源. 目前, 燃料电池阴极催化层普遍使用的是碳载铂基催化剂, 碳载体在实现催化剂均匀分散以及增强氧气传输等方面起到重要作用. 但由于阴极氧还原反应动力学较为缓慢, 因此需要高的铂载量(0.2-0.35 mgpt cm-2)以维持高的输出功率, 这成为燃料电池大规模应用的一个关键难题. 近年来, 为了降低阴极铂载量的同时维持性能, 大量的研究致力于开发各种先进的多孔碳载体, 但是由于孔径分布不集中导致质子和氧气在传质控制区(>1.5 A cm-2)展现出较大的传质阻抗, 进而导致实际燃料电池展现出明显的电压衰减. 因此, 迫切需要开发具有特殊形貌以及合适孔结构(4-7 nm)的多孔碳载体以增强燃料电池的输出功率.

针对上述问题, 本文采用硬模板法制备了具有合适介孔结构的碗状碳, 即以正硅酸四乙酯为球形二氧化硅模板的前驱体, 然后通过表面聚合间苯二酚和甲醛的酚醛树脂(RF). 在间苯二酚和甲醛的聚合过程中, 小的二氧化硅颗粒被均匀地嵌入聚合物中, 形成核壳结构的SiO2@SiO2/RF. 酚醛树脂随后通过高温裂解转化为碳. 最后通过氢氟酸刻蚀去除二氧化硅模板, 碳壳在毛细力作用下通过球形壳的屈曲效应塌缩到内腔中, 从而形成多孔的碗状结构. 通过与空心碳球和实心碳球对比, 来探究碗状碳特殊形貌对氧气传输的作用. 采用X射线衍射、拉曼光谱、四探针电导率测试、氮气吸脱附曲线、扫描电镜和透射电镜等手段对其进行测试. 以碗状碳、空心碳球和实心碳球为载体合成了碳载的Pt3Co金属间化合物催化剂, 并通过旋转圆盘电极及单电池考察了其电催化性能. 物理表征结果显示, 碗状碳载体具有高的比表面积(1200 m2 g-1)以及合适的孔径分布(~4 nm). 电化学测试表明, 相较于空心多孔碳球和固体实心碳球所负载的Pt3Co催化剂以及商业Pt/C催化剂, 碗状碳负载的Pt3Co催化剂(Pt3Co/BC)的性能显著提升. 在所研究的催化剂中, Pt3Co/BC催化剂的MEA表现出最佳的H2-空气燃料电池性能, 阴极催化层载量为0.2 mgpt cm-2, 在0.6 V时, 产生1.3 A cm-2的最大电流密度; 在1.5 A cm-2时, 它能产生0.5 V的最高工作电位. 实验结果以及仿真模拟表明, Pt3Co/BC催化剂的高活性来自于碗状碳具有特殊的形貌以及合适的孔结构可以促进催化剂的均匀分散以及增强氧气传输.

开发具有特殊形貌以及合适孔结构的碳载体对提升燃料电池的输出功率至关重要, 其中具有孔径约为4 nm的介孔碳载体有望实现具有低铂载量的高性能燃料电池. 该研究揭示了碳载体形貌以及孔结构对氧气传输的影响, 为新型多孔碳载体的开发提供新思路.

关键词: 燃料电池, 氧还原, 传质, 载体, 碗状碳

Abstract:

The development of advanced support is conducive to promoting the practical application of fuel cells but remains an enormous challenge in terms of stabilizing catalyst particles and enabling improved accessibility to O2. Beyond solid carbon black and conventional porous carbon, we demonstrate a new type of mesoporous bowl-like carbon support with a high specific surface area of over 1200 m2 g-1 and ~ 4 nm pore. Both rotating disk electrode and membrane electrode assembly (MEA) tests show that BC-supported Pt3Co (Pt3Co/BC) catalyst greatly outperforms hollow porous carbon spheres and solid carbon spheres supported Pt3Co catalysts. The Pt3Co/BC catalysts exhibited remarkable performance as cathode catalyst in MEA, achieving a comparable open-circuit voltage of approximately 0.95 V under H2-air condition and a current density of 1.3 A cm-2 at 0.6 V with a loading of only 0.2 mgPt cm-2. Diffusion simulations and physical characterizations demonstrate that the high porosity and highly accessible pore structure of BC support facilitate the uniform distribution of catalyst particles and enhance the mass transport of O2, thereby resulting in a significant improvement in catalytic activity and durability. This work provides new insights into the influence of support shape on mass transport of reactants and electrochemical performances of the catalyst in MEA.

Key words: Fuel cell, Oxygen reduction reaction, Mass transport, Support, Bowl-like carbon