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纳米纤维应用于燃料电池方面有哪些新突破?

能源环保    2021-09-18 17:17

导语部分

随着全世界工业化进程不断加快,人类对能源的需求越来越大,传统不可再生化石燃料因此日益枯竭,全球范围内的生态环境也加速恶化。人们正迫切需要找到可替代传统化石燃料的可再生清洁能源。经过多年研究,人们发现燃料电池( Fuel Cell) 正是这样一种非常有前景的清洁可再生能源。它是一种不受卡诺循环限制、能量转化效率高( 50% ~ 70% ) 、环境友好地将储存在燃料中的化学能转化为电能的装置。

 

目前质子交换膜燃料电池在国外处于商业化示范应用阶段,已涉及车辆、移动电源、潜艇、笔记本电源等广泛领域,规模化需求市场正在逐步形成,因此燃料电池质子交换膜蕴藏着巨大的增长潜力。

 

以下内容汇总了近期静电纺丝技术在燃料电池方面的新进展,供大家学习交流!

 

1.从静电纺沸石咪唑酸酯骨架衍生的Pt-Co自支撑纳米纤维电极,用于高温PEM燃料电池

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➣用静电纺丝法制备了自支撑纳米纤维电极,该膜型催化剂同时包含Pt-Co合金纳米颗粒和Co嵌入从电纺沸石咪唑框架中获得的N掺杂石墨化碳(Co - nx)载体中。柔性电极可直接转移到高温PEMFC的膜电极组件中。

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➣电极表现出优异的性能,这可能是由于计算模型研究揭示了Pt-Co和Co-Nx之间的协同作用。与基于墨水的传统催化剂涂覆方法相比,此方法简化了Pt损失可忽略的电池装置的制造和操作。

https://doi.org/10.1002/adfm.202006771

 

2.单个钴位点分散在分层多孔纳米纤维网络中,以形成燃料电池中耐用且高功率的无PGM电极

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➣通过将钴掺杂的沸石咪唑酸酯骨架电纺到选定的聚丙烯腈和聚(乙烯基吡咯烷酮)聚合物中而合成的高功率且耐用的Co-N-C纳米纤维催化剂。

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➣独特的多孔纤维形态和分层结构通过暴露更易接近的活性位点,提供便捷的电子传导性并促进反应物的质量传输,在提高电极性能方面起着至关重要的作用。单个Co位点的固有活性和稳定性以及独特的催化剂体系结构的结合,为设计高效、不含PGM的电极提供了新的见解。

 https://doi.org/10.1002/adma.202003577

 

3.静电纺丝非贵金属纳米材料的氧还原性能研究进展

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电子科技大学基础与前沿研究院孙旭平教授团队对近几年静电纺丝非贵金属纳米材料氧还原性能的研究进展进行了综述。

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➣文章系统阐述了静电纺丝非贵金属纳米材料氧还原性能的研究进展,包括杂原子掺杂碳纳米纤维、过渡金属/碳纳米纤维复合材料和无碳纳米纤维的合成策略、构效关系和反应机理,并总结了静电纺丝非贵金属纳米材料在ORR中所面临的挑战及未来的研究方向。

 

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100280

 

4.铂纳米粒子与掺杂钽的氧化锡纳米纤维之间的强相互作用及其对氧还原反应的活化和稳定作用

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➣采用静电纺丝法制备了钽掺杂氧化锡(Ta/SnO2)催化剂载体。掺杂量在0(未掺杂的SnO2)和7.5 at之间变化。对所得材料的形貌、组成、结构、孔隙率和电性能进行了表征。

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➣与Pt / C相比,Pt / 1Ta / SnO2在高电势下具有更高的ORR活性和稳定性。特别是,具有最低Pt含量(7 wt%)的电催化剂表现出较高的质量活性和稳定性。

➣在掺杂铌(Nb/SnO2)、锑(Sb/SnO2)和钽等五价金属的锡氧化物中,Ta/SnO2的导电性高于铌/SnO2,在燃料电池电压范围内的稳定性高于Sb/SnO2。

 

https://doi.org/10.1021/acscatal.0c02220

 

5. 通过静电纺丝改善燃料电池应用中Fe-N-C铂族无金属纳米纤维电极的大量气体传输

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➣将通过电纺热解的Fe-N-C催化剂,Nafion离聚物和载体聚合物聚丙烯酸(PAA)的混合物制备的无PGM纳米纤维电极垫与传统制备的电极进行了比较。

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➣文章亮点:电纺丝纳米纤维电极具有保形离子覆盖和大孔网络。外加电场作用下,颗粒剪切导致催化剂团聚体断裂。在高RH和低RH条件下增加电容和可达性。纤维毡中的纤维间空隙大大降低了气体输送阻力。O2分子扩散途径不曲折,克努森扩散减少。

➣在100% RH的H2/空气条件下,纳米纤维电极的功率密度比传统制备的电极增加约50%(约260 vs 175 mW cm−2)。

 

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104791

 

6. 钴/锌双位点与纳米纤维中的氮配位,可实现酸性燃料电池中高效持久的氧还原反应

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➣通过静电纺丝、碳化和后处理技术在锚定的N掺杂碳纳米纤维(Co / Zn-NCNF)上制造了Co / Zn原子双位点。

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➣与Co或Zn单掺杂样品相比,这种Co/Zn-NCNF催化剂在酸性电解质中具有0.997 V和0.797 V/RHE的起伏和半波电势,大大提高了ORR活性。在电流密度为400 mA cm−2的情况下,放电150小时后,其最大功率密度为0.603 W cm−2,稳定性显著达到约0.65 V。

https://doi.org/10.1039/C9TA12207A