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2022-11-29 来源:汽车燃料电池之家 浏览数:399
燃料电池是将化学能转化成电能的装置,其空气电极催化层的设计,既要包含丰富的、易于接近的反应活性位,也要具备高度连通的电子、质子以及反应物、产物传质通道,因此电极必须具有特定三维几何结构形貌和有序分布的各功能化孔道,确保催化活性位得以充分利用以及反应可以连续进行。针对催化剂孔道的几何结构调控,本文调研了最近报道的一系列研究工作,从模板法、高温相变法、模板/相变复合方法以及基于金属有机框架材料进行孔道设计等四种主要方法出发,综述了该领域的最新研究进展。
图1 NDCN材料合成示意图
由于可用的硬模板仅有SiO2、PS 微球等少数几种,并且制备和刻蚀硬模板过程耗时耗力。因此相比之下,软模板法成为更为普遍的制备有序介孔材料的方法。应用软模板法时,表面活性剂分子和客体物种之间通过非共价键(如氢键、静电作用、疏水作用及范德华力等)的作用,自发组装形成有序介观复合结构,经前体转化并去除表面活性剂后,即可获得具有有序开放孔道的介孔材料。
制备非贵金属Fe−Nx/C 催化剂的前体材料一般包含Fe、N、C、H 等元素,在高温(>800℃)焙烧过程中,小分子氮碳化合物挥发,同时Fe 原子逐渐团聚形成较大颗粒,因此很难得到高度分散的Fe活性位点。同时对于碳基材料,大部分活性位点都包埋在材料内部而没有暴露在表面,活性位利用率低。Mun等采用软模板方法,通过将Fe前体、碳源和硅源吸附在嵌段共聚物F127 的亲水段(PEO),再进行溶液自组装,并经固化、转化、去模板等后处理步骤,即得到有序介孔铁氮碳(m−FePhen−C)催化剂[图2(a)]。该催化剂中,金属Fe 高度分散于碳载体中,同时构建的有序介孔结构增强了活性位暴露。在三电极体系ORR 测试中,m−FePhen−C 催化剂的起始、半波电位达到1.00 V 和0.901 V,优于商业Pt/C 催化剂,并且具有较好的稳定性。此外,Wei 等通过组装球形酚醛树脂和嵌段共聚物(F127)单胶束软模板,然后将铁前体和1,10−菲罗啉引入其中,最后在NH3气氛中焙烧,制备了一系列具有相互连通开放孔道结构的铁氮掺杂碳催化剂(Fe/N/C)[图2(b)]。
图2 催化剂的合成示意图
目前研究结果普遍认为,只含微、介孔的材料易传质受限,而只有大孔时材料比表面较低,无法提供足够丰富的表面活性位,因此构建包含大孔、介孔、微孔的多级孔材料,可以在提升传质的同时提供更高的活性比表面积,有利于整体催化性能的提升。综合运用软、硬模板法即可实现这种多级孔结构的制备。
金属单原子催化剂是近年较为热门的研究领域,但针对这类材料孔道结构调控的研究报道还不多。最近,Chen 等通过双模板协同热解策略合成了嵌在有序多级孔氮掺杂碳中的单原子Co 催化剂(Co−SAS/HOPNC)[图3]。该材料具有高度分散的Co−N 催化位点、有序的多级孔结构以及良好的导电性。高的比表面实现了活性位充分暴露,相互联通的有序大孔/介孔结构缩短了分子/离子在电解质中的扩散距离,并大幅提升了电极内的物质、电荷扩散以及活性位点的利用率。在0.1 mol/L KOH 溶液中,其半波电位(0.892 V)比Pt/C 高53 mV,同时也优于大部分非贵金属催化剂。
图3 Co−SAS/HOPNC合成示意图
商品Pt/C 材料是ORR 的常用催化剂,但其孔道由颗粒紧密堆积产生的间隙构建而成,孔道空间排布不规则,能够用于传质的孔体积有限,用于燃料电池时容易水淹造成气体传输不畅。Wang 等基于软硬模板法制备的有序大孔−介孔互穿网络抗水淹气体多孔电极(dual porosity Pt/C)[图4],大孔排布规则有序,尺寸达到500 nm,将孔体积容量提高到传统Pt/C 颗粒密堆积电极的3.5 倍,成为流体传输与存储的主通道;而由13 nm 介孔构建的孔壁将其比表面积提高到传统Pt/C 的4.5 倍,是电极反应的主阵地。膜电极(MEA)测试表明,多孔电极在常规测试条件下输出功率比传统电极提高41%,在强增湿条件下输出功率提高45%。因此孔道调控空前提高了气体多孔电极传质效率与抗水淹能力。该项工作同时自主设计研发了一种“拨浪鼓”结构工作电极,可对多孔催化材料在燃料电池工作状态下的传质进行量化评价。
综上所述,采用模板法制备多孔材料主要包括硬模板法、软模板法、硬/软模板复合方法。针对这些方法,表1给出了简单的归纳和比较。软、硬模板法是制备有序多孔材料的经典方法,已经衍生出了一系列性能优异的催化材料,灵活运用该方法可在材料孔道结构设计方面探索出更为丰富多样的可能性。
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