納米能量：通過(guò)靜電紡絲改善燃料電池鐵-氮-碳鉑族金屬納米纖維電極的質(zhì)量氣體傳輸

doi 336010.1016/j . nano en . 2020 . 104791

為了克服與厚的無(wú)PGM電極相關(guān)的傳輸限制，必須研究和定制其他替代電極結(jié)構(gòu)，以最大化體電極的傳輸性能，而不會(huì)顯著影響電催化劑活性位點(diǎn)的可及性和電極的質(zhì)子電阻。將鐵氮碳催化劑、Nafion離聚物和載體聚合物聚丙烯酸(PAA)靜電紡絲熱解制備的無(wú)PGM納米纖維電極墊與傳統(tǒng)方法制備的電極進(jìn)行了比較。所制備的納米纖維電極的形貌特征和元素分布表明，無(wú)聚谷氨酸的納米纖維外表面被離聚物膜共形覆蓋。循環(huán)伏安法、電化學(xué)阻抗譜和H2極限電流測(cè)量的電化學(xué)診斷結(jié)果表明，雙電層容量增加，電極的質(zhì)子透過(guò)率降低，納米纖維電極體電極的氣體透過(guò)性能顯著提高。從H2-O2/空氣燃料電池獲得的電化學(xué)極化數(shù)據(jù)支持觀察到的性能改善。在H2/空氣中，當(dāng)相對(duì)濕度為100%時(shí)，納米纖維電極的功率密度比傳統(tǒng)電極提高了約50%(約260 vs 175 mWcm-2)，這是由于納米纖維電極中分子擴(kuò)散路徑不太曲折，且具有壓力依賴性和獨(dú)立的氣體傳輸阻力。

圖1。(a)無(wú)PGM電紡墨水配方示意圖，含F(xiàn)e-NC催化劑3360離聚物：PAA的均相混合物，(b)制備無(wú)PGM納米纖維電極墊的電紡設(shè)備，(c)以無(wú)PGM納米纖維墊為熱壓陰極CCL和Pt/HSC陽(yáng)極GDE制備的MEA(膜電極組件)。

圖2。該圖示出了使用H2限流診斷程序?yàn)轶w電極制備的膜電極組件的透射測(cè)量。在鉑黑傳感器(PtB)上沉積不含鉑族金屬的催化劑層(包括納米纖維或標(biāo)準(zhǔn)油墨)，并在鉑/硼和不含鉑族金屬的冷陰極熒光燈之間的界面上測(cè)量H2極限電流，以解釋不含鉑族金屬的冷陰極熒光燈中的氣體傳輸電阻。

圖3。(a)不含聚乙二醇單丁醚的催化劑粉末的掃描電鏡顯微照片，帶有顯示主要顆粒的插圖，和(b)不含聚乙二醇單丁醚的纖維氈的掃描電鏡顯微照片，帶有顯示納米纖維形態(tài)的高倍放大照片的插圖。

圖4。STEM BF圖像(a)顯示納米纖維形態(tài)和厚度的變化，EDS圖顯示(b)碳：碳藍(lán)，(C)氮：氮紫，(d)碳和硫覆蓋：碳藍(lán)和硫黃元素分布，(e)氟和硫覆蓋：氟綠和硫黃

圖5。(a)通過(guò)靜電紡絲和常規(guī)手動(dòng)噴涂制備的5 cm2 MEAs燃料電池的極化曲線，含有不帶PGM的()納米纖維和()標(biāo)準(zhǔn)電極，負(fù)載量為3mgcm-2。電池分別在80、150千帕和100%相對(duì)濕度以及(b)50%、75%和100%相對(duì)濕度的H2/氧氣中運(yùn)行。在100%相對(duì)濕度下，在H2/N2以20毫伏秒-1獲得的標(biāo)準(zhǔn)電極和納米纖維電極的循環(huán)伏安圖。納米纖維和標(biāo)準(zhǔn)電極的歸一化電容由100%-50%相對(duì)濕度下測(cè)量的CV估算。

圖6。HAADF干細(xì)胞圖片(一)顯示了納米纖維的橫截面視圖。(b)氮，N-紫(C)鐵，F(xiàn)e-紅(d)氮和鐵，F(xiàn)e-紅和N-紫(e)碳，C-藍(lán)(F)氟，F(xiàn)-綠(g)硫，S-黃(h)碳和氟涂層，C-藍(lán)和F。

圖7。燃料電池在80，b)50千帕和100%相對(duì)濕度下在H2/空氣中的極化曲線(a)含有不含PGM的納米纖維和()標(biāo)準(zhǔn)電極，負(fù)載為3mgcm-2；(c)奈奎斯特圖，顯示燃料電池阻抗和相對(duì)濕度之間的函數(shù)關(guān)系；(d)標(biāo)準(zhǔn)電極和納米纖維電極中的氣體傳輸電阻，顯示(d)100%相對(duì)濕度和80下總氣體傳輸電阻和壓力之間的函數(shù)關(guān)系，其中Rtotal包括非壓力相關(guān)(RNP)和壓力相關(guān)(RP)傳輸電阻。

圖8。(a)非壓力相關(guān)的RNP，(b)標(biāo)準(zhǔn)納米纖維電極的壓力相關(guān)的相對(duì)濕度，(c)體電極的總傳輸電阻隨相對(duì)濕度的變化。

圖9是在(a)標(biāo)準(zhǔn)和(b)納米纖維電極層中在高和低相對(duì)濕度下離聚物分布和氣體傳輸?shù)氖疽鈭D。

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