文献解读丨工作温度匹配的阳极钯-凯发k8国际首页登录
2023-10-20
本文为湖南大学电催化与电合成实验室所作，第一作者为湖南大学黄根博士，通讯作者为湖南大学陶李助理教授和王双印教授，文章发表于angewandte chemie international edition （angew. chem.int. ed.2023, 62, e2022151）。
质子交换膜燃料电池 (pemfcs)其具有清洁高效、比功率高、启动迅速、能够连续供电等技术特点，为解决能源与环境问题具有重要战略意义。pemfcs在恒定输出功率下运行一般是非常稳定的，但其在启动/停止以及大电流等工作状况会导致pemfcs运行时出现局域燃料缺乏以及输出延迟等现象，严重降低pemfcs的性能和稳定性。在此期间阴极或者环境中渗入阳极的氧气会在阴极产生氢气-氧气扩散边界，使得阳极和阴极的电位同时升高，特别是阴极的电位甚至会高达1.5 --2.0v产生严重的碳腐蚀以及pt纳米催化剂溶解聚集现象，增加膜电极内阻，大幅度减小阴极催化层内催化剂电化学活性比表面积，甚至会导致pemfcs停止工作。为了解决上述关键问题，团队基于温度匹配策略在高温聚合物电解质膜燃料电池（ht-pemfcs）阳极中设计了高效的把-氢气缓冲层，氢气能够在燃料饥饿工况下释放出来，有效提升燃料电池耐燃料饥饿和抗电流反转的能力。
图1. x射线光电子能谱仪（岛津-kratos公司，axis supra）
图2.氢气在pd晶格中嵌入和脱出过程
通过原位xrd和tpd测试分析表明，氢原子在室温氢气环境下会自发进入pd晶格间隙位点。随着温度的升高到106 ℃，pd晶格间隙中亚表层的氢原子会逐渐释放出来。这一释放过程可以持续1小时左右。当温度降低时，氢原子会重新进入pd晶格间隙位置。
图3.ht-pemfcs耐燃料饥饿性能分析
通过在ht-pemfcs催化层结构设计，发现pd可以作为阳极氢气缓冲层，在低温时能自发储存氢气，而在ht-pemfcs运行温度下又能原位持续释放氢气1小时以上，是相同情况下pt的37倍，有效提升燃料电池耐燃料饥饿性能。
图4. 利用xps分析耐燃料饥饿测试后电极材料价态结构的变化
进一步，团队通过准原位xps和xrd模拟实验发现燃料饥饿后阳极催化层pt的价态略有下降，而pd价态升高，说明pd吸收了燃料饥饿期间泄露到阳极的氧气，而燃料饥饿后阴极催化层pt价态基本不变，说明pt在ht-pemfcs工况以及o2气氛中较难被进一步氧化。因此pd可以作为ht-pemfcs阳极氢气缓冲层和氧气吸收剂，提供额外的原位氢气，并在燃料饥饿期间吸收渗透的氧气，从而抑制阴极催化层降解，大幅度提升ht-pemfcs在工况下的耐久性。
本文结合ht-pemfcs工况特点，通过利用pd金属在不同温度下的氢气储存/释放特性，将pd作为ht-pemfcs阳极氢气的“缓冲池”，构筑了pd-h缓冲层膜电极，在燃料饥饿工况下为电池持续供氢，有效提升燃料电池抗电流反转能力，大幅增强ht-pemfc抗燃料饥饿性能和长时间稳定性。相关研究为设计开发燃料电池高性能膜电极具有重要意义。
文献题目
《durable high-temperature proton exchange membrane fuel cells enabled by the working-temperature-matching palladium-hydrogen buffer layer》
使用仪器
岛津axis supra
作者
gen huang, yingying li, li tao*, zhifeng huang, zhijie kong, chao xie, shiqian du, tehua wang, yujie wu, qie liu, dongcai zhang, jiaqi lin, miaoyu li, jun wang,
jin zhang, shanfu lu, yi cheng, shuangyin wang*
state key laboratory of chem/bio-sensingand chemometrics, college of chemistry and chemicalengineering, hunan university, changsha, hunan 410082, p.r. china;
全文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202215177
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