纳米能量：通过静电纺丝改善燃料电池铁-氮-碳铂族金属纳米纤维电极的质量气体传输

doi 336010.1016/j . nano en . 2020 . 104791

为了克服与厚的无PGM电极相关的传输限制，必须研究和定制其他替代电极结构，以最大化体电极的传输性能，而不会显著影响电催化剂活性位点的可及性和电极的质子电阻。将铁氮碳催化剂、Nafion离聚物和载体聚合物聚丙烯酸(PAA)静电纺丝热解制备的无PGM纳米纤维电极垫与传统方法制备的电极进行了比较。所制备的纳米纤维电极的形貌特征和元素分布表明，无聚谷氨酸的纳米纤维外表面被离聚物膜共形覆盖。循环伏安法、电化学阻抗谱和H2极限电流测量的电化学诊断结果表明，双电层容量增加，电极的质子透过率降低，纳米纤维电极体电极的气体透过性能显著提高。从H2-O2/空气燃料电池获得的电化学极化数据支持观察到的性能改善。在H2/空气中，当相对湿度为100%时，纳米纤维电极的功率密度比传统电极提高了约50%(约260 vs 175 mWcm-2)，这是由于纳米纤维电极中分子扩散路径不太曲折，且具有压力依赖性和独立的气体传输阻力。

图1。(a)无PGM电纺墨水配方示意图，含Fe-NC催化剂3360离聚物：PAA的均相混合物，(b)制备无PGM纳米纤维电极垫的电纺设备，(c)以无PGM纳米纤维垫为热压阴极CCL和Pt/HSC阳极GDE制备的MEA(膜电极组件)。

图2。该图示出了使用H2限流诊断程序为体电极制备的膜电极组件的透射测量。在铂黑传感器(PtB)上沉积不含铂族金属的催化剂层(包括纳米纤维或标准油墨)，并在铂/硼和不含铂族金属的冷阴极荧光灯之间的界面上测量H2极限电流，以解释不含铂族金属的冷阴极荧光灯中的气体传输电阻。

图3。(a)不含聚乙二醇单丁醚的催化剂粉末的扫描电镜显微照片，带有显示主要颗粒的插图，和(b)不含聚乙二醇单丁醚的纤维毡的扫描电镜显微照片，带有显示纳米纤维形态的高倍放大照片的插图。

图4。STEM BF图像(a)显示纳米纤维形态和厚度的变化，EDS图显示(b)碳：碳蓝，(C)氮：氮紫，(d)碳和硫覆盖：碳蓝和硫黄元素分布，(e)氟和硫覆盖：氟绿和硫黄

图5。(a)通过静电纺丝和常规手动喷涂制备的5 cm2 MEAs燃料电池的极化曲线，含有不带PGM的()纳米纤维和()标准电极，负载量为3mgcm-2。电池分别在80、150千帕和100%相对湿度以及(b)50%、75%和100%相对湿度的H2/氧气中运行。在100%相对湿度下，在H2/N2以20毫伏秒-1获得的标准电极和纳米纤维电极的循环伏安图。纳米纤维和标准电极的归一化电容由100%-50%相对湿度下测量的CV估算。

图6。HAADF干细胞图片(一)显示了纳米纤维的横截面视图。(b)氮，N-紫(C)铁，Fe-红(d)氮和铁，Fe-红和N-紫(e)碳，C-蓝(F)氟，F-绿(g)硫，S-黄(h)碳和氟涂层，C-蓝和F。

图7。燃料电池在80，b)50千帕和100%相对湿度下在H2/空气中的极化曲线(a)含有不含PGM的纳米纤维和()标准电极，负载为3mgcm-2；(c)奈奎斯特图，显示燃料电池阻抗和相对湿度之间的函数关系；(d)标准电极和纳米纤维电极中的气体传输电阻，显示(d)100%相对湿度和80下总气体传输电阻和压力之间的函数关系，其中Rtotal包括非压力相关(RNP)和压力相关(RP)传输电阻。

图8。(a)非压力相关的RNP，(b)标准纳米纤维电极的压力相关的相对湿度，(c)体电极的总传输电阻随相对湿度的变化。

图9是在(a)标准和(b)纳米纤维电极层中在高和低相对湿度下离聚物分布和气体传输的示意图。

来源：王老板的科学课

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