Nano Energy：通过静电纺丝改善Fe-N-C铂族无金属纳米纤维电极的大量气体传输用于燃料电池
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104791
为了克服与较厚无铂族金属（PGM-free）电极相关的传输限制，必须研究和定制其他可替代的电极结构，以最大程度地提高块体电极的传输性能，同时又不显著影响电催化剂活性位点的可及性和电极质子的抵抗性。本文将电纺热解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。所制备的纳米纤维电极的形态学性质和元素分布表明，无PGM的纳米纤维的外表面共形地覆盖有离聚物薄膜。利用循环伏安法、电化学阻抗谱（EIS）和H2极限电流测量进行的电化学诊断表明，双电层电容量增加，电极质子传输减少，纳米纤维电极的块体电极气体传输性能显著改善，从H2-O2/空气燃料电池中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，相对湿度为100%时，纳米纤维电极的功率密度比传统制备的电极（约260 vs 175 mW cm-2）增加了约50%，这是由于分子扩散路径不太曲折以及纳米纤维电极中的压力依赖性和独立的气体输运阻力降低所致。
图1.（a）无PGM静电纺丝油墨配方的示意图，含Fe-NC催化剂:离聚物:PAA的均质混合物，（b）用于制备无PGM纳米纤维电极垫的静电纺丝设备，以及（c）用无PGM纳米纤维垫作为热压阴极CCL和Pt/HSC阳极GDE制备MEA（膜电极组件）。
图2.图示表明使用H2限流诊断程序对制备用于块体电极的膜电极组件进行传输测量。无PGM的催化剂层（包含纳米纤维或标准油墨）沉积在铂黑传感器（PtB）上，并在Pt/B和无PGM的CCL界面测量H2限制电流，以说明无PGM的CCLs中的气体传输阻力。
图3.（a）带有插图的无PGM催化剂粉末的SEM显微照片,其中插图显示了主要颗粒，以及（b）带有插图的无PGM纤维垫的SEM显微照片，其中插图为纳米纤维形态的高倍放大图片。
图4.显示纳米纤维形态和厚度变化的STEM BF图像（a），以及显示（b）碳：C-蓝色、（c）氮：N-紫色、（d）碳和硫覆盖层：C-蓝色和S-黄色元素分布的EDS图，（e）具有氟和硫覆盖层：F-绿色和S-黄色、（f）氟：F-绿色、（g）硫：S-黄色、（h）碳和氟覆盖层：C-蓝色和F-绿色的STEM BF图像。
图5.（a）通过静电纺丝和常规手工喷涂制备的，含无PGM的（■）纳米纤维和（□）标准电极，负载量为3 mg cm-2的5 cm2 MEAs的燃料电池极化曲线。电池分别在80℃、150 kPa和100%相对湿度以及（b）50%、75%和100%相对湿度下的H2/O2中运行。（c）在H2/N2中、100%相对湿度下，以20 mV s-1获得的标准和纳米纤维电极的循环伏安图。（d）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估算得出。
图6.HAADF STEM图像（a）显示了纳米纤维的横截面图。（b）氮，N-紫色（c）铁，Fe-红色（d）氮和铁，Fe-红色和N-紫色（e）碳，C-蓝色（f）氟，F-绿色（g）硫，S-黄色（h）碳和氟覆盖层，C-蓝色和F-绿色，表明了纤维直径上的元素分布。
图7.（a）含无PGM（■）纳米纤维和（□）标准电极，负载量为3 mg cm-2的5 cm2 MEAs在80℃、150 kPa和100%相对湿度以及（b）50、75和100%相对湿度的H2/空气中的燃料电池极化曲线；（c）奈奎斯特图，显示了燃料电池阻抗随频率的变化与相对湿度的函数关系；（d）在标准和纳米纤维电极中的气体传输阻力，显示在100%相对湿度、80℃下（d）总气体传输阻力与压力的函数关系，其中Rtotal包括非压力相关（RNP）和压力相关（RP）的传输阻力。
图8.标准纳米纤维电极的（a）非压力相关RNP（b）压力相关RP和（c）块体电极的Rtotal传输阻力测量值随相对湿度的变化。
图9.在（a）标准和（b）纳米纤维电极层中，高和低相对湿度下离聚物分布和气体传输的示意图。
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文章来源：易丝帮
