碳载铂镍八面体在质子交换膜燃料电池中的性能研究

Electrocatalysts with high performance are required to reduce the loading of Pt in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). Lacking of highly active and stable cathode catalysts is the main obstacle of lowering the Pt loading in the PEMFCs. Pt-Ni octahedral nanoparticles (oct-PtNi NPs) have been reported to show extremely high activity towards oxygen reduction reaction (ORR). However, the performance of membrane electrode assembly (MEA) using oct-PtNi NPs as cathode catalyst has never been studied before as far as we concern. In this project, we’ll study the ORR performance and decade mechanism of oct-PtNi/C in the liquid electrolyte half-cell at elevated temperature, and enhance the stability of oct-PtNi/C by modification treatment with the help of decade mechanism study. Then, MEA using oct-PtNi/C as cathode catalysts will be fabricated. By optimizing the structure of cathode catalyst layer and studying its influence on the performance of MEA, the relationship between the structure of oct-PtNi/C catalyst and cathodic catalyst layer and the performance of MEA will be revealed. Furthermore, MEA with high performance and durability can be designed using oct-PtNi/C as cathode catalysts, as a result, the loading of Pt in the MEA is reduced.

随着质子交换膜燃料电池向低铂含量方向发展，对电催化剂的性能提出了更高的要求，而缺乏高效稳定的阴极催化剂仍然是制约燃料电池向低铂方向发展的主要障碍。已报道的工作证实Pt-Ni八面体具有极高的氧还原活性，但尚无Pt-Ni八面体作为阴极催化剂在膜电极中的性能报道。项目通过研究高温下碳载Pt-Ni八面体(oct-PtNi/C)在液体电解质中的氧还原活性及衰退机理，指导oct-PtNi/C改性处理，提高其稳定性。采用oct-PtNi/C为阴极催化剂构筑膜电极，通过优化膜电极催化层的结构，研究oct-PtNi/C阴极催化层结构对膜电极性能的影响因素，揭示oct-PtNi/C催化剂及阴极催化层结构与膜电极性能间的构-效关系，并由此设计以oct-PtNi/C为阴极催化剂的高性能膜电极，实现膜电极中贵金属铂的减量化。

随着质子交换膜燃料电池向低铂含量方向发展，对电催化剂的性能提出了更高的要求，而缺乏高效稳定的阴极催化剂仍然是制约燃料电池向低铂方向发展的主要障碍。已报到的工作证实Pt-Ni八面体具有极高的氧还原活性，但Pt-Ni八面体作为阴极催化剂在膜电极中的性能研究仍较为缺乏。需要深入研究Pt-Ni八面体在膜电极工作条件下的结构演变及其性能影响因素，探索Pt-Ni八面体作为膜电极阴极催化剂的可行性。. 本项目通过制备碳载铂镍八面体 (oct-PtNi/C) 催化剂并对其进行改性处理，研究其在半电池和膜电极条件下的氧还原活性和稳定性，对反应前后的催化剂进行结构分析，明确催化剂性能衰退的原因，并针对性地对oct-PtNi/C进行改性处理，改善其在测试条件下的耐久性，制备高金属载量、高性能改性oct-PtNi/C催化剂。以改性处理的oct-PtNi/C催化剂为阴极催化剂构筑膜电极，考察不同的膜电极制备方法及催化剂负载方式、固体支持电解质含量及改性处理方式等条件对oct-PtNi/C为阴极催化剂的膜电极性能的影响因素。分析阴极催化层和膜电极的结构，结合电化学交流阻抗、在线循环伏安法等在线研究手段探究阴极催化层结构对膜电极性能的影响，揭示以oct-PtNi/C催化剂制备的膜电极的结构与性能间的构-效关系。. 所研究条件下，室温下酸洗处理的oct-PtNi/C（记为PNA）为最优催化剂，以PNA为阴极催化剂，阴极铂负载量为0.2 mg/cm2时，膜电极峰值功率密度达到1.0 W/cm2，30000周加速老化测试后，膜电极性能保持率为82 %，超过商业Pt/C为催化剂的膜电极。分析表明，PNA在酸洗条件下将表面的Ni原子溶解，很大程度上避免了Ni2+对膜电极中离聚物的污染；同时又较好的保留了Pt-Ni八面体的结构，充分发挥Pt-Ni八面体对氧还原反应的动力学优势。所制备的催化剂平均粒径为6.4 nm，主要分布在碳载体外部孔道，提高了铂镍催化剂在膜电极上的原子利用率。该研究为铂镍八面体作为阴极催化剂在膜电极上的应用提供了理论依据，并有望应用于低铂高性能膜电极的应用开发。