CTM蓄电池氢燃料电池催化剂研究进展

对化石能源和环境的关注度日益增长，氢燃料电池研讨成为热点之一。现在燃料电池商业化首要受困于昂扬的本钱和基础设施缺乏，而催化剂占有燃料电池电堆60%的本钱。本文从燃料电池催化剂作用机理、铂基和非铂基催化剂等技术降本路径进行总述，并对未来开展趋势进行展望。

要害词：燃料电池；催化剂；催化机理

1 概述

氢燃料电池是一种将燃料化学能直接转化为电能的发电设备，具有比内燃机更高的能量转化效率(高达80%)。此外，氢燃料电池具有起动快、工作温度低一级优点，经过其完成氢能高效使用是氢能经济的重要一环。在交通运输领域，氢燃料电池轿车是氢能战略中的一个重要组成部分[1]。

近年来，氢燃料电池体系在功率密度、效率、低温起动和动态呼应能力等方面已获得重要打破，氢燃料电池轿车在一次充氢续驶里程和加快能力方面已满足整车商用基本要求。然而，燃料电池电堆本钱和耐久性仍旧面临应战，这首要归因于贵金属Pt贵重且储量有限，燃料电池本钱构成中挨近60%来源于催化剂Pt[2]。阴极氧复原反响动力学缓慢，导致阴极催化剂Pt用量高达阳极用量的6倍左右。数据统计标明，跟着燃料电池体系出货量增加，催化剂将成为单一占比最大的本钱[3]。因而，开发低铂/非铂、高催化功能和耐久性的氧复原催化剂，是燃料电池长时间开展和规模化应用的重点。

在降低燃料电池Pt用量方面，曩昔20年获得显著成效。2003年，燃料电池 Pt用量约为1 g·kW−1；2015年，Pt用量降至0.5 g·kW−1。现在，演示运转燃料电池轿车所搭载燃料电池Pt用量约为0.4 g·kW−1, 距离最终可与内燃机竞争的Pt载量方针0.1 g·kW−1仍具有较大差距。因而，进一步降低Pt含量，提高催化剂Pt使用效率和稳定性，成为下一代催化剂研讨急需解决的要害问题。

由于铂材料的高价格和稀缺性，研讨者们一直在寻觅低本钱非铂基催化剂对其进行替代。因而，规划和生产铂基催化剂的替代品至关重要，抱负的非贵金属催化剂需具有低本钱、高活性、高稳定性、组成途径简单可直接大规模制备的特色。近年来，尽管非贵金属催化剂的初始活性已逐步挨近铂基催化剂，但较差的稳定性限制其广泛应用，且衰退机制尚不清晰。现在Fe-N-C催化剂是最有希望应用于质子交流膜燃料电池的非铂基催化剂之一。怎么快速原位分析衰减机理及增强稳定性成为非铂催化剂重点打破方向。

2 研讨现状

2.1催化剂催化机理

2.1.1 Pt基催化剂催化机理

一般认为，氧分子的复原首要经历4e进程，即氧分子得到4e直接生成水。由于2e反响进程生成的H2O2会使电池功能降低，因而4e反响是最抱负的反响路径。4e反响路径一般认为有如下两种：

                    (1)

                 (2)

Kulkarni等人[4]根据不同金属外表的氧吸附制作“火山型”曲线，认为第一步和最后一步是一切过渡金属ORR决速过程，且以金属外表氧吸附能作为氧复原功能的量化依据。关于与·OH牢固结合的金属，·OH→H2O是决速过程，而关于氧结合能弱的金属，O2的活化过程O2→·OOH是决速过程。Pt(111)单晶的上述关系最挨近“火山型”曲线顶部，是最优的ORR催化剂，并得到试验数据证明[5]。

图1：Pt3M合金催化剂动力学“火山图”(根据微动力学模型，虚线)、密度泛函理论得到的极限电势“火山图”(根据热力学分析，实线)，及实测合金催化剂相关于Pt的ORR电流密度比与计算得到的吸附能关系[5]

2.1.2 过渡金属催化剂催化机理

过渡金属合金催化剂是将两种或多种不同过渡金属合金化得到的一种催化剂。常见合金有PtNi、PtCo、PtFe、PtCu等。过渡金属合金催化剂ORR机理首要包含:①氧分子被外表过渡金属吸附后，发生分子吸附和解离。吸附状态下，氧分子与过渡金属外表首要由范德华力和电荷搬运力组成，此时氧分子与过渡金属外表作用力大于氧分子本身吸引力，被吸附在过渡金属外表；②氧分子在外表发生解离吸附，构成原子氧，并与过渡金属外表上的其他原子结合而构成过渡态物种，促进电子搬运；③在过渡金属离子和原子氧结合物作用下，外表催化剂电子发生搬运，在ORR反响中，电子搬运是整个反响的要害过程之一。试验标明，过渡金属合金催化剂外表的原子氧和过渡态物种是完成高效ORR的要害。