燃料电池环境下特殊形貌Pt-M/C合金催化剂稳定机制研究

Recent years we have witnessed the rise of morphology-controlled Pt-M nanoparticles as highly active ORR catalysts. Most of them have shown over 10 times higher mass activity than Pt/C commercial catalyst. However, their applications in fuel cells are limited by the stability under the fuel cell conditions, where they usually lose their special morphology during the running cycles. And most fuel cell stacks are still using the commercial Pt/C catalysts. Therefore, we intend to set out morphology-controlled synthesis of a series Pt-M/C as cathode catalysts, and study their activity and stability under automobile fuel cell conditions. By further developing in-situ X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) technique for electrocatalysis study, and combining with high resolution electron microscope, the structural and compositional evolution will be monitored under reaction conditions. Furthermore, fuel cell performance test methods like electrochemical impedance spectroscopy and current density distribution will be applied in order to elucidate the degradation mechanism of Pt-M/C catalysts. With this fundamental understanding, the stability of catalysts are to be optimized by modifying their composition and structure, and fuel cell operation control strategy. This will bridge the gap between fundamental and application research, and transfer the benefits of highly active Pt-M/C catalysts into real fuel cell applications.

高效稳定催化剂的设计是燃料电池领域的关键问题和研究热点。近年来，采用形貌控制法合成的Pt-M/C催化剂表现出极高的电催化活性，然而其在真实燃料电池工作条件下却不能表现出良好的性能。原因很可能是在燃料电池环境下，Pt-M/C催化剂无法保持其特殊的形貌与结构，从而导致催化剂活性衰减；但以上假设还需要更强有力的证据支持。本项目从形貌控制合成系列Pt-M/C合金催化剂入手，在模拟车用燃料电池的工况下，研究其电催化性能及稳定性。通过原位X射线吸收精细结构（XAFS）与电镜等技术相结合的表征手段，研究纳米颗粒的结构和形貌变化。同时，通过分区电流密度、电化学阻抗法等方法分析电池的性能衰减，以揭示催化剂在燃料电池环境下活性衰减机制。进而从优化催化剂组成和结构以及燃料电池工况控制策略出发，以提高特殊形貌电催化剂的实际稳定性。项目研究成果对提高电催化剂的电化学稳定性具有重要的科学指导意义。

由于经济的快速增长，中国石油消耗量已位居世界第二位。在此背景之下，作为我国可持续发展战略的重要组成部分，新能源汽车的推广正在加速进行。其中，燃料电池汽车具有绿色环保、零排放、噪声低等优点。目前，我国的燃料电池汽车方面的研发离成熟的商业化目标仍有所差距。其中，成本问题至关重要。目前燃料电池技术严重依赖贵金属催化剂铂的使用，但Pt价格昂贵，限制了其商业化发展。因此，高效稳定催化剂的设计是燃料电池领域的关键问题和研究热点。.近年来，采用形貌控制法合成的Pt-M/C催化剂表现出极高的电催化活性，然而其在真实燃料电池工作条件下却不能表现出良好的性能。原因很可能是在燃料电池环境下，Pt-M/C催化剂无法保持其特殊的形貌与结构，从而导致催化剂活性衰减。本项目从形貌控制合成系列Pt-Ni/C合金催化剂入手，通过优化合成参数和催化剂成分及载体，研究其电催化性能及稳定性。研究结果表明，发现微量PDDA便可以实现高性能Pt-Ni/C八面体结构催化剂的绿色简便制备。采用该方法制备的催化剂，在碳载体上分散均匀且粒径分布集中。同时，通过优化催化层结构，实现了特殊形貌在膜电极中的应用，并通过电化学阻抗法等方法分析了特殊形貌制备催化剂制备电池的性能衰减，揭示了催化剂在燃料电池环境下活性衰减机制。研究结果表明，通过设计双层催化层，在催化层和PEM间增加Pt/C层，可以有效防止Ni和Pd进入PEM，使特殊形貌催化剂制备膜电极的性能衰减情况得到缓解，为特殊形貌催化剂的膜电极应用提供新的研究思路。本项目还通过原位X射线吸收精细结构技术测试，结果表明但是Ni和Pd的添加可以保护Pt，显著降低合金催化剂中Pt的价态变化幅度，提升Pt在不同电位下的抗氧化能力。同时说明多种金属之间的协同作用可以提升Pt的稳定性，降低氧在Pt表面的吸附能力。.综上所述，本项目制备的特殊形貌催化剂在溶液中具备高活性和高耐久性的特点。通过催化层结构的优化，成功将自制催化剂应用到了燃料电池膜电极中。此外，本项目还利用氧传质测试和原位XAFS测试对自制催化剂的构效关系进行分析，这对于未来特殊形貌催化剂的开发及应用具有重要的科学及理论指导作用。