燃料電池用Pt/C催化劑的性能提升策略及研究進(jìn)展First published: 20 Oct 2020作者：任雪峰*，王怡然，劉安敏，張志宏，呂前遠(yuǎn)，劉碧荷隨著傳統(tǒng)能源的不斷消耗，能源與環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)于新型能源的需求更加迫切。自從燃料電池的概念被提出以來(lái)，人們對(duì)燃料電池這種環(huán)境友好的新能源器件與設(shè)備的研究日益增多。目前，限制燃料電池大范圍推廣商業(yè)化的因素仍較為顯著，尤其是陰極反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。開(kāi)發(fā)高性能催化劑用于燃料電池陰極反應(yīng)有助于改善其動(dòng)力學(xué)過(guò)程存在的問(wèn)題，其中Pt基催化劑由于其較高的活性成為燃料電池重要的陰極催化劑。但由于存在Pt的高成本、碳載體的腐蝕、Pt/C催化劑碳載體上Pt顆粒的團(tuán)聚或遷移以及Pt顆粒溶解脫落于電解液中的一系列問(wèn)題，導(dǎo)致Pt/C催化劑的活性降低，從而限制其推廣應(yīng)用。因此，開(kāi)展Pt/C催化劑的合理設(shè)計(jì)，以進(jìn)一步改善其催化活性和穩(wěn)定性，并深入研究其反應(yīng)機(jī)理具有重要意義。近日，大連理工大學(xué)任雪峰博士在英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)材料領(lǐng)域著名學(xué)術(shù)期刊Journal of Materials Chemistry A (影響因子：11.301)上發(fā)表題目為“Current progress and performance improvement of Pt/C catalysts for fuel cells”的綜述文章，全面系統(tǒng)地總結(jié)了Pt/C催化劑在燃料電池中應(yīng)用的最新進(jìn)展，包括Pt/C催化劑自身構(gòu)型的研究、對(duì)改善催化劑本體的研究及對(duì)改善催化劑載體的研究。要點(diǎn)一：對(duì)催化劑構(gòu)型的研究圖1：具有核-殼結(jié)構(gòu)的超薄Pt基納米材料和多孔Pt基納米材料通過(guò)減小Pt顆粒的直徑，提升Pt 的分散度，增大其比表面積，可以減少催化劑的用量并改善催化劑的性能。本文詳細(xì)總結(jié)了Pt基催化劑在核/殼結(jié)構(gòu)、納米線、納米纖維及納米管陣列構(gòu)型下的催化活性和穩(wěn)定性。
圖3：Pt和貴金屬合金催化劑（PtAu、PtRu、PtPd）圖4：Pt和非貴金屬合金催化劑（PtCu、PtCo、PtNi）圖5：無(wú)Pt催化劑（M-N-C催化劑：Fe/N/C、Mn/N/C）
通過(guò)對(duì)催化劑本體組成進(jìn)行調(diào)控，將Pt與其他金屬合金化并控制Pt基納米顆粒的結(jié)構(gòu)，是減少Pt用量和改善催化性能的重要方法。本文對(duì)Pt與貴金屬、非貴金屬合金化和無(wú)鉑催化劑進(jìn)行了詳細(xì)的總結(jié)和對(duì)比。圖6：非碳基催化劑載體（金屬氧化物：CeOx、TiO2、WOx、SnOx）
通過(guò)對(duì)催化劑載體進(jìn)行改性，可以有效改善Pt基催化劑結(jié)塊、聚結(jié)或脫落等問(wèn)題，從而抑制由于上述問(wèn)題導(dǎo)致的催化劑性能降低、穩(wěn)定性變差等問(wèn)題。通過(guò)選取適宜的碳載體和非碳載體，可以有效降低上述問(wèn)題的發(fā)生。同時(shí)，可有效利用載體自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，極大地提高催化劑活性中心的分散度及導(dǎo)電性等，從而顯著提升催化劑的性能。本文詳細(xì)總結(jié)了幾種重要碳載體（如：炭黑、石墨烯、碳納米管）和非碳載體（如：金屬氧化物）對(duì)催化劑性能的影響。本文綜述了為實(shí)現(xiàn)PEMFC的大規(guī)模應(yīng)用，需從兩個(gè)方面來(lái)解決PEMFC成本高、功率密度不足和穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。首先是改進(jìn)催化劑性能，例如Pt-M合金以及無(wú)鉑催化劑的開(kāi)發(fā)進(jìn)展。第二是改進(jìn)催化劑載體，包括使用碳和非碳載體的最新進(jìn)展?；诟鞣N合理和可控制的策略（幾何和電子結(jié)構(gòu)）已經(jīng)為ORR準(zhǔn)備了許多有前途的催化材料，但在Pt基催化劑的開(kāi)發(fā)中仍然存在一些困難，例如載體材料的開(kāi)發(fā)和對(duì)Pt的進(jìn)一步深入研究。此外，提出了潛在的ORR碳基催化劑的個(gè)人展望：（1）催化劑的催化機(jī)理和活性位點(diǎn)的研究是明確ORR的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，利用計(jì)算化學(xué)等方法研究催化劑的活性位點(diǎn)可以更好地指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。（2）研究發(fā)現(xiàn)，催化劑的尺寸對(duì)催化劑的活性和穩(wěn)定性有很大的影響。大的比表面積，多孔結(jié)構(gòu)與缺陷之間的協(xié)同效應(yīng)可以提升ORR性能。在電極連續(xù)工作期間，催化劑可能會(huì)發(fā)生顆粒分離、聚集、載體腐蝕和奧斯特瓦爾德（Ostwald）熟化等問(wèn)題，從而導(dǎo)致催化劑活性降低和較差的穩(wěn)定性。另外，不同的載體也影響催化劑顆粒的粒度分布，因此，制備具有大比表面積，穩(wěn)定且較多缺陷的催化劑顆粒是非常重要的。Current progress and performance improvement of Pt/C catalysts for fuel cellshttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ta/d0ta08312g#!divAbstract2016年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，現(xiàn)為大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院講師/碩士研究生導(dǎo)師。研究方向主要包括燃料電池催化劑、環(huán)境催化材料的設(shè)計(jì)制備與應(yīng)用研究，金屬材料表面改性等。主持及參與多項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目。相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Functional Materials, Journal of Materials Chemistry A, ChemSusChem, Nanoscale，Electrochimica Acta, Sustainable Energy & Fuels等高水平國(guó)際期刊上。就讀于大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，師從任雪峰博士。研究方向?yàn)殂K基催化劑的制備及其氧還原性能研究。
