基于高温催化和多相有序传质的无机非金属质子交换膜燃料电池

The low performance of the state-of-the-art platinum-free catalyst can not meet the requirement of the oxygen reduction reaction (ORR) and hydrogen oxidation reaction (HOR) of proton exchange membrane fuel cell (PEM fuel cell) under low temperature. Thus, the hydrogen/oxygen reactions of the PEM fuel cell are strongly depended on platinum as the catalysts. The commercialization and sustainable development of the PEM fuel cell is seriously impeded by the global platinum resource shortage. Proposals of this research is an inorganic nonmetallic membrane electrode assembly (MEA) for PEM fuel cell with improved reaction kinetics of the Pt-free catalyst by elevated temperature operation (200-300 oC), and improved transmission efficiency by highly ordered proton-electron-reactants (hydrogen and oxygen gas) transport pathway. The research will focus on the mechanism and behavior of the ORR and HOR reaction kinetics at the elevated temperature, and find solutions to address the determining step of the reactions. At the second, this research will try to understand the structure-activity relationships between the proton-electron-reactants transport efficiency and the multi-phase ordered nanostructure of the membrane electrode assembly (MEA). Based on these approaches, we will design and fabricate the elevated temperature MEA with highly ordered inorganic nanostructure with multi-phase self-assembly technology, and realize the Pt-free inorganic MEA for PEM fuel cell with high performance and high stability.

针对Pt资源难以支持质子交换膜燃料电池广泛产业化和持续发展的重大科学问题，本项目提出一种无机非金属(非Pt)质子交换膜燃料电池的构想。项目拟基于无机质子交换膜提高燃料电池的反应温度到200~300℃，以大幅度提高无机非金属催化剂的氧还原和氢氧化催化反应动力学速度；构建有序催化电极结构、以大幅度提高催化剂比表面积并改善"质子-反应气体-电子"三相传质通道，从而实现燃料电池的高性能非Pt催化,为下一代低成本质子交换膜燃料电池的开发提供理论基础与材料支持。研究中，项目将深入了解高温工作条件下无机非金属催化剂表面氧还原和氢氧化反应的动力学提升规律，以及高温电催化性能与"质子-电子-反应气体"三相有序传质结构的构效关系；同时基于多相自组装技术重点突破膜电极有序结构的材料制备技术，从而构建高性能无机非Pt质子交换膜燃料电池的制备技术体系。

燃料电池是一种高功率密度且绿色清洁的能源转换与存储器件，针对Pt资源在燃料电池大规模产业化应用中储量有限及价格昂贵这一重大科学问题，本项目研发出一种无机非金属质子交换膜燃料电池。项目基于无机质子交换膜燃料电池提高燃料电池的反应温度至200~300℃，大幅度提高了物质非金属催化剂的氧还原和氢氧化反应动力学速度，提高了燃料电池的输出功率和催化效率；成功地构建出有序催化电极结构，该类催化剂具有高比表面积和优异的催化氧还原能力，并优化了“质子-反应气体-电子”的三相传递通道。合成出Fe，N 共掺杂介孔碳材料在碱性环境下起峰电位高达1.01 V vs. RHE，半波电位0.94 V vs. RHE，极限电流密度达5.8 mA cm-2，优于Pt基催化剂的氧还原性能，且Fe-N 掺杂介孔碳催化氧气还原主要通过4 e- 途径。经过10 h的耐久性测试后，该催化剂电流保有量达85%，而Pt基催化剂仅保留61%；合成出Fe3C@石墨烯复合纳米棒结构，该复合材料既保有过渡金属碳化物Fe3C的催化作用又利用了石墨烯的超高导电率，其催化氧还原的阴极电流达6.0 mA cm-2，且石墨层的包裹可大幅度提高其在工作状态下的稳定性；首次采用铁卟啉，以二氧化硅微球为模板合成出Fe嵌入的3D有序介孔碳结构，该催化剂具有极其有序的介孔分布和高比表面积（584 m2 g-1），Fe-N也在碳骨架中均匀分布，可充分起到催化位点的作用。该多孔材料在中性环境中催化氧气还原反应起峰电位达0.23 V vs. SCE，半波电位-0.08 V vs. SCE，极限电流6.2 mA cm-2 均优于商业铂碳催化剂，因而是一种优良的催化材料；以石墨烯为基底，采用层层自组装技术，在石墨烯表面逐层生长沸石咪唑框架-67（ZIF-67）结构，成功实现了对材料结构和性能的精确调控，制备出的高效Co-N掺杂多孔碳在碱性条件下具有突出的催化氧气还原性能和稳定性。以上研究成果实现了对膜电极有序结构的材料制备技术的重点突破，构建出了高性能无机非 Pt 质子交换膜燃料电池的制备技术体系，为下一代低成本质子交换膜燃料电池的开发提供了重要的理论基础与材料支撑。