近日,江苏大学京江学院研究团队在质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂领域提出面向高寒低温工况的催化剂改性方案,涵盖高活性低温催化剂设计、高耐久性催化剂与载体改性、高寒专用催化层结构设计、衰减机理与原位表征等关键技术路线。
目前,催化剂研究主要围绕活性与耐久性展开:Pt基合金、核壳结构和形貌调控可提升ORR活性与Pt利用率;石墨化碳、碳纳米管、石墨烯及非碳载体可增强抗氧化腐蚀能力。但高寒场景下,低温高活性与耐久性兼顾、低温传质和抗反极等问题仍待解决。
针对上述挑战,团队提出系统改性方案:Pt-Co、Pt-Ni合金ORR质量活性较纯Pt提高3—5倍(图1),主要通过配体、应变和表面粗糙度效应增强活性,并需抑制过渡金属溶出;核壳结构可提高Pt利用率并抑制核材料溶出;形貌调控可暴露优势晶面,但需抑制低温循环下的形貌重构;非贵金属催化剂潜力较大,但低温活性和稳定性仍处基础研究阶段。
图1 不同催化剂策略的ORR质量活性对比
在高耐久性催化剂与载体改性方面,团队分析了高寒环境下碳载体腐蚀、Pt溶解再沉积与迁移团聚、过渡金属溶出,以及冻融循环和低温启动局部电位差异等衰减机制;提出采用高石墨化碳、非碳载体和复合载体提升抗氧化性;抗反极可通过阳极引入IrO₂、RuO₂等析氧催化剂、使用耐腐蚀载体并配合系统控制实现;催化剂稳定化还可借助热处理、Au/Rh/Ir表面掺杂修饰和薄层包覆等策略。
在衰减机理与原位表征方面,团队指出低温启动是催化剂衰减的典型加速工况,结冰膨胀、冻融裂纹、局部氢饥饿反极和电流密度不均均会加剧衰减。原位X射线吸收谱、电化学阻抗谱、拉曼光谱、CO溶出/循环伏安及可视化技术可实时监测催化剂与催化层状态;DFT计算可筛选合金组分、预测核壳应变、揭示晶面—活性关系并评估金属溶解倾向;加速应力测试通过电位循环、恒电位氧化、冻融和反极耐受测试评价改性效果。(图2)。
图2 冻融循环、阳极IrO₂添加量对催化层结构与反极耐受时间的影响
该方案设计系统阐明了高寒环境下燃料电池催化剂从材料设计、载体改性与催化层结构调控到衰减表征全链条技术路径,为高寒地区氢能移动电源用催化剂开发提供了重要理论依据和技术参考,对推动燃料电池在低温高寒场景的工程应用具有重要意义。