电纺改进FeC铂族无金属纳米纤维电极少量气体传输用于燃料电池

Nano Energy：通过静电纺丝改进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

为了降服与较厚无铂族金属（PGM-free）电极相干的传输限定，一定研究和定制其他可替换的电极布局，以最大水平地进步块体电极的传输性能，同时又不明显影响电催化剂活性位点的可及性和电极质子的抗击性。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)的混淆物制备的无PGM纳米纤维电极垫与传统制备的电极举行了比力。所制备的纳米纤维电极的形态学性子和元素漫衍评释，无PGM的纳米纤维的外外貌共形地笼罩有离聚物薄膜。使用轮回伏安法、电化学阻抗谱（EIS）和H2极限电流丈量举行的电化学诊断评释，双电层电容量增添，电极质子传输淘汰，纳米纤维电极的块体电极气体传输性能明显改进，从H2-O2/氛围燃料电池中得到的电化学极化数据支持观看到的性能改进。在H2/氛围中，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）增添了约50%，这是因为分子扩散路径不太曲折以及纳米纤维电极中的压力依靠性和独立的气体输运阻力低落所致。

图1.（a）无PGM静电纺丝油墨配方的表示图，含Fe-NC催化剂:离聚物:PAA的均质混淆物，（b）用于制备无PGM纳米纤维电极垫的静电纺丝设置装备摆设，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.图示评释利用H2限流诊断步伐对制备用于块体电极的膜电极组件举行传输丈量。无PGM的催化剂层（包罗纳米纤维或尺度油墨）沉积在铂黑传感器（PtB）上，并在Pt/B和无PGM的CCL界面丈量H2限定电流，以阐明无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,此中插图表现了重要颗粒，以及（b）带有插图的无PGM纤维垫的SEM显微照片，此中插图为纳米纤维形态的高倍放大图片。

图4.表现纳米纤维形态和厚度改变的STEM BF图像（a），以及表现（b）碳：C-蓝色、（c）氮：N-紫色、（d）碳和硫笼罩层：C-蓝色和S-黄色元素漫衍的EDS图，（e）具有氟和硫笼罩层：F-绿色和S-黄色、（f）氟：F-绿色、（g）硫：S-黄色、（h）碳和氟笼罩层：C-蓝色和F-绿色的STEM BF图像。

图5.（a）通过静电纺丝和通例手工喷涂制备的，含无PGM的（■）纳米纤维和（□）尺度电极，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得到的尺度和纳米纤维电极的轮回伏安图。（d）纳米纤维和尺度电极的归一化电容由100%-50%相对湿度下丈量的CV估算得出。

图6.HAADF STEM图像（a）表现了纳米纤维的横截面图。（b）氮，N-紫色（c）铁，Fe-赤色（d）氮和铁，Fe-赤色和N-紫色（e）碳，C-蓝色（f）氟，F-绿色（g）硫，S-黄色（h）碳和氟笼罩层，C-蓝色和F-绿色，评释了纤维直径上的元素漫衍。

图7.（a）含无PGM（■）纳米纤维和（□）尺度电极，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/氛围中的燃料电池极化曲线；（c）奈奎斯特图，表现了燃料电池阻抗随频率的改变与相对湿度的函数干系；（d）在尺度和纳米纤维电极中的气体传输阻力，表现在100%相对湿度、80℃下（d）总气体传输阻力与压力的函数干系，此中Rtotal包罗非压力相干（RNP）和压力相干（RP）的传输阻力。

图8.尺度纳米纤维电极的（a）非压力相干RNP（b）压力相干RP和（c）块体电极的Rtotal传输阻力丈量值随相对湿度的改变。

图9.在（a）尺度和（b）纳米纤维电极层中，高和低相对湿度下离聚物漫衍和睦体传输的表示图。

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文章泉源：易丝帮