高温质子交换膜燃料电池催化剂层中稳定有序离聚物网络的构造及其电池性能研究

Electrochemical reactions occur in catalyst layer and ionomers deliver protons during the reactions. Phosphoric acid or phosphoric acid doped polybenzimidazole is normally used as ionomers in high-temperature proton exchange membrane fuel cells (HT-PEMFCs); while, the utilization of these ionomers faces three serious problems: i) inhomogeneous dispersion; ii) weak interaction between ionomers and electrocatalysts; iii) blocking platinum active sites, resulting in low Pt utilization efficiency, short fuel cell lifetime and sluggish oxygen reduction reaction. Here, we propose the study on the fabrication and stabilization of ionomer in electrocatalyst preparation by grafting poly(vinylphosphonic acid) in order to fabricate homogeneous and stable ionomer networks in catalyst layer. The Pt utilization efficiency would be enhanced due to the homogeneous ionomer networks, thus, the platinum usage would be decreased. Meanwhile, ionomers would be stabilized in catalyst layer due to the graft reaction. Also, the study on relationship between ionomer content and exchange current density of membrane electrode assembly would be beneficial for deep understanding of ORR kinetics of HT-PEMFCs. This proposal is not only of fundamental significance, but also valuable for the development of HT-PEMFC electrocatalyst with high durability and performance.

催化剂层是电化学反应主要场所，其中离聚物在催化剂层中起质子传递作用，其分散性和稳定性对于燃料电池性能及寿命起决定性作用。高温质子交换膜燃料电池常采用磷酸或者磷酸掺杂聚苯并咪唑作为离聚物，然而由于其分散性差、与催化剂作用力弱、易覆盖铂催化剂活性位点，造成铂利用率低、离聚物易流失、氧还原动力学慢等问题。本项目拟在催化剂制备过程中，通过化学接枝办法将离聚物(聚乙烯基膦酸)固定在催化剂上，使其均匀分散，构造稳定有序的离聚物网络，消除催化剂层中的“死区”，提高铂催化剂利用率；实现降低铂催化剂使用量的目标；化学接枝法能够提高离聚物在催化剂层中的稳定性，达到延长燃料电池寿命目的；通过计算膜电极交换电流密度，探索高温质子交换膜燃料电池氧还原动力学与离聚物的关系，以期提出高温质子交换膜燃料电池催化剂设计新思想。本项目既有基础科学研究价值，也对开发高性能和高耐久性高温质子交换膜燃料电池催化剂有重要的参考意义。

在自然科学基金青年基金项目的资助下，主要开展中高温质子交换膜燃料电池、电解水和二次锌空电池催化剂的研究。.中高温质子交换膜燃料电池由于其工作温度在100℃以上，因此其氧还原动力学理论上更高，并且燃料电池的水热管理更加简单。然而目前中高温质子交换膜燃料电池采用磷酸掺杂聚苯并咪唑作为其质子交换膜，磷酸容易渗透到催化剂层，强吸附到铂催化剂表面，并且催化剂层中离聚物同样分散不够均一且稳定性差，因此需要在催化剂层构筑连续稳定的质子传导通道，达到提高中高温质子交换膜燃料电池的性能。主要选取电压窗口宽且在高温条件下具有一定质子传导率的离子液体来包覆铂催化剂，电镜测试结果表明，离子液体均匀的覆盖在铂催化剂表面，且厚度仅为1-2 nm，电池测试结果表明，由于离子液体在均一包覆，构筑了稳定连续的质子传递通道，提高铂催化剂的利用率，相比于未包覆的催化剂，其燃料电池性能提高大约20%，并且稳定性也同样得到提高。.电解水是燃料电池的逆反应，对于固体聚合物电解水(SPEWE)，由于阳极反应电位高且在酸性环境，因此需要构筑稳定高效的阳极催化剂来推动固态聚合物电解水的商业化。主要通过利用双保护策略来提高单原子铱催化剂实现其高效稳定的电催化析氢和析氧反应。利用铱盐、铁盐和三聚氰胺在高温煅烧，单原子铱被氮掺杂的碳纳米管限域的铁纳米颗粒锚定，实现对单原子铱的双重保护，提高其稳定性。单原子铱催化剂的OER和HER质量活性是商业化催化剂的1370倍和61倍，并且能够稳定在酸性电解液中工作。.二次锌空电池由于其能量密度高受到广泛的关注。二次锌空电池氧电极动力学缓慢是目前制约其商业化的主要因素。结合单原子催化剂的高原子利用率，通过在单原子镍催化剂的邻位引入单原子铁来实现其氧还原和电催化析氧双功能；同时引入铁原子能够有效的调控镍原子的配位环境，从而调控其催化活性。催化剂在液态锌空电池中的功率密度高达260 mW cm-2，是商业化催化剂的3.7倍，能够在20 mA cm-2条件下稳定循环充放电100小时。