燃料電池催化劑核心知識(shí)以及未來發(fā)展方向

2022-11-29 來源：小鄭的燃料電池筆記瀏覽數(shù)：611

“在過去的30年里，用于氧還原反應(yīng)的Pt基催化劑的開發(fā)取得了進(jìn)展，一些催化劑現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)，并用于汽車和其他應(yīng)用的聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)。然而，還需要進(jìn)一步提高催化活性。在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員已經(jīng)開發(fā)出各種催化劑，它們的活性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于商業(yè)催化劑，這些最先進(jìn)的催化劑具有提高能量轉(zhuǎn)換效率和減少PEFC中Pt載量的潛力。在燃料電池汽車應(yīng)用之前，有幾個(gè)技術(shù)問題必須解決，這就要求燃料電池汽車具有高功率密度和高耐久性，以及高效率。本文描述了Pt基催化劑的發(fā)展歷史和最新的研究，以找出這些技術(shù)問題的起源。并討論

氫氣是清潔和可持續(xù)經(jīng)濟(jì)中最有前途的能源載體之一。將氫的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)顯示出巨大新能源汽車的潛力，幾家汽車制造商已經(jīng)開始將燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)商業(yè)化。然而，要使FCEV得到更廣泛的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的技術(shù)突破，其中最重要的問題之一是電極中的催化劑。在下文中，從PEFC性能的角度解釋了這個(gè)問題的細(xì)節(jié)，PEFC的性能對車輛的價(jià)值有很大影響。

在圖1中，顯示了典型的電池性能曲線(電流-電壓)。低電流密度區(qū)域的電壓幾乎由陰極中氧還原反應(yīng)(ORR)的催化活性決定，這對汽車應(yīng)用中的能量轉(zhuǎn)換效率有很大影響，因?yàn)殡姵刂饕\(yùn)行在該區(qū)域。相反，中到高電流密度區(qū)域的電壓決定了功率密度，而中到高電流密度區(qū)域的電壓受電池中的質(zhì)量傳輸特性的強(qiáng)烈影響。在某些情況下需要高功率密度，包括車輛的劇烈加速。在壽命結(jié)束時(shí)性能的保持率也很重要，因此要求催化劑具有較高的耐久性。還應(yīng)指出，需要減少使用昂貴的材料和部件，例如用于催化劑的貴金屬、用于膜和電極的聚合物、氣體擴(kuò)散層和雙極板，以便更廣泛地分布FCEV 。然而，在不犧牲性能和成本的情況下提高耐用性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些因素往往受到權(quán)衡關(guān)系的影響。本文對ORR電催化劑的研究歷史進(jìn)行了總結(jié)，指出了這些權(quán)衡取舍的技術(shù)難點(diǎn)。然后討論了開發(fā)陰極材料和設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)的有效策略

圖1 PEFC的組件和典型的性能曲線圖

1. 催化活性

圖2顯示了PEFC中陰極催化劑研究的最新進(jìn)展的時(shí)間表。目前PEFC中催化層的形式，其中催化劑、載體(通常是碳)、離聚體(通常是全氟磺酸聚合物)和孔構(gòu)成微觀結(jié)構(gòu)是在1990年代早期建立的(圖2A)。作為ORR的催化劑，通常使用基于Pt的納米顆粒，眾所周知，將Pt與其他過渡金屬合金化可以提高催化活性。除了Pt基催化劑外，非貴金屬催化劑，如碳基催化劑和單原子催化劑，在過去的幾十年里得到了廣泛的研究，在催化活性方面取得了顯著的進(jìn)展。但在實(shí)際應(yīng)用中，它們在傳質(zhì)性能和耐久性方面仍然存在局限性。

在探索鉑合金的性能方面，使用真正的納米催化劑來闡明提高ORR活性的機(jī)制一直存在挑戰(zhàn)。例如，控制合金催化劑的表面積并不是很完美的，因?yàn)橥ㄟ^合金化過程(即熱處理)進(jìn)行燒結(jié)和通過脫合金化導(dǎo)致表面粗化。此外，準(zhǔn)確測定合金催化劑的表面積也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這些問題是使用具有精確表面表征的鉑合金單晶電極以及在確定系統(tǒng)中的電化學(xué)測量實(shí)驗(yàn)解決的；這些研究表明，在合金表面存在最頂層的鉑層，并且鉑合金(111)面的比活性(單位表面積活性)比單金屬鉑(111)電極提高了十倍以上。氧中間物質(zhì)，如吸附的羥基與合金電極之間的相互作用也被削弱。這些觀察結(jié)果得到了電子結(jié)構(gòu)理論的合理解釋，表明與許多催化反應(yīng)類似，ORR的活性由所謂的Sabatier火山控制，對于結(jié)合中等強(qiáng)度的反應(yīng)中間體的催化劑來說，該活性最大。這些理論還表明，對于鉑合金(111)電極，中間含氧物種的結(jié)合能接近最佳(圖2B)。雖然單晶研究和理論研究都是基于模型催化劑，但結(jié)果已經(jīng)應(yīng)用于鉑合金納米催化劑的開發(fā)，球形鉑鈷合金納米顆粒現(xiàn)在用于豐田Mirai燃料電池汽車(圖2C)。還應(yīng)該注意的是，具有更便宜的核心材料的核殼催化劑已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)比單金屬鉑催化劑具有更高的比活性，未來很有潛力。但是，要實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展生產(chǎn)和防止核心金屬溶解，還需要作出進(jìn)一步努力。

單晶電極的實(shí)驗(yàn)和理論分析也表明，Pt3Ni(111)表面的ORR活性明顯高于Pt3Ni的其他晶面。形狀可控的鉑合金納米顆粒(圖2D)的概念受到這一結(jié)果的啟發(fā)。為了最大化納米催化劑中(111)面的面積比，使用優(yōu)先吸附特定鉑位置的封端劑合成了八面體納米顆粒，其活性被證實(shí)比商業(yè)鉑基球形納米催化劑高出一個(gè)數(shù)量級以上。其他形狀控制的納米催化劑，如鉑基納米催化劑框架、納米線、納米板和納米盒，由于表面的小曲率，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)具有極高的質(zhì)量活性(每鉑質(zhì)量的活性)；它們也有望由具有大比例和高比表面積(每鉑質(zhì)量的表面積)的(111)面組成。例如，通過使用溶劑熱法在相對較高的溫度下使用封端劑或使用具有較高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑來實(shí)現(xiàn)晶體取向相關(guān)的粒子生長的間歇過程來合成形狀可控的納米催化劑。值得注意的是，形狀控制催化劑也是通過連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)器和以CO氣體為形狀控制劑的固相化學(xué)法合成的，這兩種方法都有利于大規(guī)模生產(chǎn)幾乎單一分散的形狀控制催化劑。

除了合金化效應(yīng)外，對單晶表面的分析表明，(111)面的尺寸本身也影響比活性。階梯狀單金屬鉑表面的活性高于(111)平表面，并在一定的(111)階梯寬度(3~4個(gè)原子)處達(dá)到最大值，并用羥基結(jié)合強(qiáng)度與階梯寬度的依賴關(guān)系來解釋這一結(jié)果。

除了反應(yīng)中間體的性質(zhì)外，還發(fā)現(xiàn)離聚物中的陰離子等副產(chǎn)物的性質(zhì)影響鉑表面的催化活性(圖2E)。用于PEFC催化層的離聚體也具有陰離子部分，并已被發(fā)現(xiàn)通過陰離子部分在ORR活性中心上的吸附來抑制鉑催化劑的ORR活性(圖2F)。抑制程度最高達(dá)到約80%(在最壞的情況下只有20%的催化劑表面可用)，表明減輕離聚體誘導(dǎo)的催化劑中毒對于提高電池的催化活性至關(guān)重要。總之，將形狀可控的鉑納米催化劑與減輕離聚體引起的催化劑中毒相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高PEFC的效率，減少鉑的使用量。

圖2 質(zhì)子交換膜燃料電池陰極催化劑研究最新進(jìn)展時(shí)間表

2.催化劑表面附近的傳質(zhì)

盡管高活性鉑催化劑的開發(fā)有望在不犧牲功率密度的情況下減少PEFC的鉑使用量，但對于低鉑負(fù)載(<0.1mgcm−2)的電池，功率密度會(huì)出現(xiàn)額外的損失(圖3A)。用PEFC配置的小電池和使用微電極(圖3B)的模型實(shí)驗(yàn)分析了損失的來源，并確定了氧通過鉑/離聚體和離聚體/氣體界面滲透的界面阻力，顯著抑制了鉑表面附近的氧傳輸(圖3C)。對鉑/離聚體界面的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，通過離聚體分子與表面的相互作用，在鉑表面附近形成了薄于0.5 nm的致密離聚體層，并阻礙了氧的滲透(圖3D)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，納米厚離聚體薄膜的性能與體離聚體有很大的不同，這種差異可能會(huì)對界面電阻產(chǎn)生重大影響。這些結(jié)果表明，在不增加鉑使用量的情況下，需要較高的比表面積來抑制鉑表面附近的局部氧滲透通量，并提高功率密度。雖然催化劑的比表面積可以通過減小催化劑顆粒的大小來增加，但較小的顆粒更容易降解。

使用吸附較少的離聚體或介孔碳載體是一種很有前途的替代方法，可以降低離聚體相關(guān)的O2傳輸阻力以及離聚體的催化劑中毒效應(yīng)(圖3e)。可以通過使用具有更剛性分子結(jié)構(gòu)的離聚體來抑制高阻致密離聚體層的形成。最終，如果質(zhì)子可以在沒有離聚體的情況下抵達(dá)鉑表面，則鉑催化劑不需要與離聚體直接接觸，并且阻層不會(huì)形成。這一條件對于內(nèi)部介孔碳載體的鉑催化劑來說是實(shí)現(xiàn)的，在介孔碳載體中，質(zhì)子可以通過燃料電池操作產(chǎn)生的液態(tài)水進(jìn)行傳輸。

圖3 低鉑電池功率密度損失最新研究時(shí)間表

3.耐久性

在電池運(yùn)行過程中，鉑納米粒子經(jīng)歷持續(xù)的電位波動(dòng)，其表面在金屬態(tài)和氧化態(tài)之間反復(fù)交替(圖4A)。這種轉(zhuǎn)變促進(jìn)了鉑的溶解和碳的腐蝕，分別導(dǎo)致了鉑納米顆粒的熟化和聚集。因此，在長期運(yùn)行期間，催化劑表面積減小。尤其是較小的鉑顆粒更容易降解，因?yàn)樗鼈儼罅康团湮汇K原子的原子比率，這些原子的溶解電壓低于小平面鉑原子。如上所述，該特性阻止了具有高比表面積的小的鉑納米顆粒的使用，這是實(shí)現(xiàn)高功率密度所需要的。此外，鉑合金中鉑溶解后過渡金屬的溶解以及形狀受控催化劑的表面結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致比活性顯著降低。溶解的過渡金屬陽離子與離聚物中的質(zhì)子交換，導(dǎo)致電池中離子導(dǎo)電性的損失。當(dāng)陽離子在操作過程中遷移和積累時(shí)，它們還可以通過改變陰極離聚體的物理化學(xué)性質(zhì)來降低催化劑表面附近的O2擴(kuò)散率。關(guān)于表面結(jié)構(gòu)的變化，我們已經(jīng)證實(shí)，在燃料電池的電位循環(huán)中，鉑納米線轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐晤w粒，如圖4A中使用透射電子顯微鏡獲得的圖像所示。此外，我們還證實(shí)了鉑鎳合金八面體納米粒子的ORR活性在電位循環(huán)過程中由于形態(tài)的變化而顯著惡化。材料的溶解問題，以及難以保持顆粒形狀的問題，使得形狀控制的鉑合金催化劑的使用變得極其困難。因此，優(yōu)化PEFC的效率、功率密度和耐用性需要權(quán)衡。

在實(shí)踐中，通過控制系統(tǒng)限制電位變化和優(yōu)化催化劑成分(圖4B)，可以緩解催化劑的降解；這些方法也可能適用于形狀控制的鉑合金催化劑。然而，固有催化劑耐久性的改進(jìn)可以簡化控制系統(tǒng)，并進(jìn)一步延長電池的壽命。

為此提出了各種方法(圖4C)。結(jié)構(gòu)有序的金屬間化合物鉑合金已被發(fā)現(xiàn)比相應(yīng)的無序鉑合金表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性和活性。在八面體鉑鎳納米顆粒中摻入Rh可以穩(wěn)定顆粒形狀。研究發(fā)現(xiàn)，在球形PtNi納米粒子中摻入氮可以形成金屬間化合物PtNiN相，并阻止鎳從中溶解，同樣的概念也可以應(yīng)用于形狀控制催化劑。據(jù)報(bào)道，通過改變合成條件在八面體鉑鎳納米催化劑上形成鉑層也可以提高催化劑的耐久性。

除了這些方法(即催化劑方面的材料開發(fā))外，使用外來材料進(jìn)行表面改性已成為一種有前途的策略。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在催化劑表面涂上由二氧化硅或碳組成的均勻涂層可以緩解催化劑的降解。最近的研究表明，涂層還可以提高催化劑的質(zhì)量活性，并且這種改進(jìn)部分歸因于減少了離聚體對催化劑的吸附。然而，在上述的鉑/離聚體界面上，碳覆蓋層比致密離聚體層具有更強(qiáng)的阻氧性，因此在應(yīng)用這一概念時(shí)需要采取一些對策來抵消對功率密度的負(fù)面影響。另一種策略是位置選擇性修飾，其中穩(wěn)定的物質(zhì)被選擇性地沉積在脆弱的和ORR不活躍的位置上，例如鉑納米顆粒的邊緣和角落，因此預(yù)計(jì)催化劑的耐用性將得到有效改善，而不會(huì)增加O2的滲透阻力。各種修飾劑，包括金和有機(jī)分子，已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)通過改變催化劑的電子態(tài)或界面物種之間的相互作用來改善剩余自由位的局部ORR活性。因此，位置選擇性修飾可以提高催化劑的質(zhì)量活性。

從其他角度來看，還有幾種方法。碳載體在PEFC的陰極條件下熱力學(xué)不穩(wěn)定，用氧化物等更穩(wěn)定的材料取代碳載體有望抑制由載體腐蝕和鉑移動(dòng)引起的鉑聚集。提高這些載體的穩(wěn)定性和加強(qiáng)催化劑和載體之間的錨定效應(yīng)對于在啟動(dòng)/關(guān)閉條件下遇到的高電位至關(guān)重要。降低鉑/離聚體界面電阻也有利于耐久性。由于具有較高的氧氣滲透電阻率，催化劑顆粒需要足夠小，以實(shí)現(xiàn)如上所述的高功率密度操作所需的高比表面積。如果每鉑表面積的氧氣滲透阻力降低，更耐用和更活性的催化劑，如納米結(jié)構(gòu)薄膜鉑合金催化劑和PtxY球形納米催化劑，可能成為FCEV的候選應(yīng)用。

圖4 催化劑降解機(jī)理和緩解策略示意圖

4. 未來展望

如上所述，要使PEFC更適合作為汽車動(dòng)力源，必須解決幾個(gè)有關(guān)陰極催化劑的技術(shù)問題。人們已經(jīng)提出了各種材料作為催化劑、載體和界面(表面改性)的組成部分，關(guān)鍵問題是如何在未來的PEFCs中考慮它們的正負(fù)效應(yīng)以及兼容性，成功地將它們結(jié)合在一起(圖5)。例如，由于其尺寸的原因，高活性的鉑納米線可能不能被放置在介孔碳的孔內(nèi)。相反，當(dāng)使用固體碳載體時(shí)，鉑/離聚體的界面問題應(yīng)該得到解決。據(jù)報(bào)道，固體碳載體的功率密度低于介孔碳。使用適當(dāng)材料的覆蓋層可以實(shí)現(xiàn)較少的吸附和更高的O2滲透性界面，盡管這可能會(huì)阻止鉑離子的移動(dòng)，這是Ostwald成熟的原因。如果原始催化劑不能達(dá)到所需電池性能所需的目標(biāo)ORR活性，則必須進(jìn)行表面修飾，例如上述的位置選擇性修飾，以提高固有活性。

為了將高活性催化劑應(yīng)用于實(shí)際電池，分析它們在廣泛的潛在范圍內(nèi)的行為也是很重要的。在旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)技術(shù)的模型實(shí)驗(yàn)中證實(shí)的高活性通常在MEA測試中沒有得到證實(shí)。RDE和電池測試之間的性能差距可能是由于電極電位的差異和活性的電位依賴性；也就是說，電池性能通常在0.9V-0.6V的電位范圍內(nèi)評估，而RDE測試的可用電位范圍高于∼0.9V，因?yàn)橘|(zhì)量傳輸限制。其他使用高速反應(yīng)物供應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)，如所謂的浮動(dòng)電極技術(shù)和氣體擴(kuò)散電極技術(shù)，對于分析寬電勢范圍內(nèi)的活度是有用的。

如上所述，形狀可控催化劑在高溫(>60°C)下的燃料電池配置中存在耐久性低的嚴(yán)重問題，因此遠(yuǎn)未得到實(shí)際應(yīng)用。除了上述提高催化劑耐久性的方法外，還需要進(jìn)一步的原位或操縱性表征分析和數(shù)學(xué)模型，以闡明形狀控制催化劑的降解機(jī)理。此外，燃料電池配置的耐久性測試標(biāo)準(zhǔn)化是必要的，因?yàn)樵S多在RDE測試中表現(xiàn)出高耐久性的形狀控制催化劑在燃料電池測試中被發(fā)現(xiàn)很容易降解。如果不解決高活性催化劑的耐久性問題，只有傳統(tǒng)的球形鉑基催化劑是可行的，那么鉑在FCEV中的使用量將不會(huì)顯著減少。從資源的角度來看，取決于鉑的使用情況和燃料電池車的傳播程度，鉑回收將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

并簡要總結(jié)了非貴金屬催化劑的研究現(xiàn)狀。這些催化劑的電池性能接近鉑基催化劑，可能適用于備用/便攜式電源應(yīng)用。這一進(jìn)展是通過應(yīng)用金屬-有機(jī)骨架作為催化劑前驅(qū)體實(shí)現(xiàn)的，它可以形成多孔催化劑結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化催化劑形態(tài)和電極結(jié)構(gòu)。然而，對于汽車應(yīng)用，對電池的功率密度提出了更高的要求。目前，由于非貴金屬催化劑的活性中心數(shù)密度和轉(zhuǎn)化率(即每個(gè)活性中心的活性)較低，因此非貴金屬催化劑的催化層厚度需要至少是鉑基催化劑的5倍，而且這種厚的催化劑層大大限制了傳質(zhì)。在不增加催化劑層厚度的情況下增加催化劑表面積的最簡單方法是擴(kuò)大幾何電極面積--例如，通過增加電池?cái)?shù)量。然而，這導(dǎo)致用于其他部件(膜、氣體擴(kuò)散層、分離器等)的昂貴材料量以及燃料電池組的體積和重量的增加令人望而卻步。因此，非貴金屬催化劑需要更高的活性中心密度和循環(huán)頻率。已經(jīng)報(bào)告了通過控制活躍位置的電子狀態(tài)來增加周轉(zhuǎn)頻率的新方法。最近，一種非貴金屬和鉑基催化劑的雜化材料被發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異的電池性能，并可能開辟催化劑研究的新領(lǐng)域。關(guān)于催化劑的耐用性，操作過程中產(chǎn)生的過氧化氫對活性中心的降解是非貴金屬催化劑的一個(gè)大問題。從耐用性問題和活性不足的角度來看，我們認(rèn)為將非貴金屬催化劑應(yīng)用于FCEV是極其困難的，但不是不可能。然而，許多研究小組對這一研究主題感興趣，并將對這些催化劑提供新的見解，預(yù)計(jì)這也將對提高鉑基催化劑的性能和耐久性提供信息。

最后，成本是決定性因素，這是工業(yè)產(chǎn)品的一貫做法。當(dāng)然，貴金屬的原材料成本是電池總成本的最大貢獻(xiàn)者之一。然而，其他零部件的成本不容忽視，因?yàn)樗鼈兇蠖嗍嵌ㄖ频摹Ｓ捎谏a(chǎn)成本也是不可忽視的，要求步驟過于復(fù)雜的工藝是不可接受的。特別是對于形狀可控的鉑催化劑，在PEFC操作之前需要合成封端劑并將其從催化劑表面移除，可能會(huì)顯著增加生產(chǎn)成本。此外，形狀可控催化劑的合成過程通常需要有機(jī)溶劑，與水溶劑相比，有機(jī)溶劑在材料和處理方面都預(yù)計(jì)會(huì)很昂貴。因此，開發(fā)不使用封端劑和有機(jī)化合物的新的合成方法，或者發(fā)現(xiàn)處理這些化學(xué)物質(zhì)的有效方法(如重復(fù)使用它們)也將是重要的主題。

圖5 從催化劑、載體和表面改性技術(shù)的組合選項(xiàng)的觀點(diǎn)出發(fā)的催化劑開發(fā)戰(zhàn)略示意圖

5. 總結(jié)

我們概述了PEFC陰極納米催化劑的發(fā)展歷史，以及將最先進(jìn)的材料應(yīng)用于未來FCEV的挑戰(zhàn)。鉑基催化劑得到了廣泛的研究，目前以球形納米顆粒的形式負(fù)載在高比表面積的碳載體上，并在實(shí)踐中得到了應(yīng)用。與此同時(shí)，研究人員已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了具有驚人高活性的納米催化劑，例如形狀控制的納米顆粒，這些實(shí)驗(yàn)室有可能提高電池效率和減少鉑的使用。然而，對催化層工作現(xiàn)象的深入了解表明，在FCEV中實(shí)現(xiàn)它們的性能并不是一帆風(fēng)順的。這是因?yàn)楦呋钚試?yán)重依賴于納米催化劑的精細(xì)表面結(jié)構(gòu)和合金化過渡金屬的官能化，因此催化劑降解可能成為一個(gè)大問題，特別是對于形狀控制的催化劑。此外，增加催化劑的比表面積以提高功率密度的要求使耐久性問題更具挑戰(zhàn)性。然而，燃料電池研究界的巨大努力已經(jīng)澄清了這些問題的根源。在催化劑和離聚體方面，已經(jīng)提出了各種材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，我們相信很快就會(huì)解決活性、耐用性和功率密度之間的權(quán)衡問題。如何將催化劑、載體、離聚體及其界面的想法結(jié)合起來，是以經(jīng)濟(jì)可行的方式提高未來FCEV性能和耐用性的關(guān)鍵問題。使用非貴金屬催化劑的電池的性能也接近于使用鉑基催化劑的電池。盡管FCEV的應(yīng)用需要進(jìn)一步提高它們的活性和耐久性，但許多小組正在進(jìn)行的研究將有利于這些催化劑的工業(yè)化，作為工業(yè)研究人員，我們希望學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在這一具有挑戰(zhàn)性但重要的問題上將繼續(xù)努力。

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