注册 English

中高温质子交换膜燃料电池催化剂研究进展

罗芳 ,  潘书媛 ,  杨泽惠

downloadPDF
引用本文: 罗芳, 潘书媛, 杨泽惠. 中高温质子交换膜燃料电池催化剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 200908. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009087 shu
Citation:  Luo Fang, Pan Shuyuan, Yang Zehui. Recent Progress on Electrocatalyst for High-Temperature Polymer Exchange Membrane Fuel Cells[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(9): 200908. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009087 shu

中高温质子交换膜燃料电池催化剂研究进展

  • 中国地质大学(武汉)，材料与化学学院，可持续能源实验室，武汉 430074

    • 作者简介:

    杨泽惠，1987年生。2015年于日本九州大学应化系获博士学位。现任中国地质大学(武汉)副研究员。主要研究方向为燃料电池和电解水器件;
    通讯作者: 杨泽惠, yeungzehui@gmail.com
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21703212)资助项目

摘要: 中高温质子交换膜燃料电池作为一种新型能量转换装置，具有环境友好、能量转换效率高、氢气纯度要求低等特点。催化剂作为电化学反应的核心，其性能极大影响着燃料电池的整体工作效率，目前针对中高温燃料电池催化剂的研究主要集中在电化学反应动力学较慢的阴极氧还原催化剂。磷酸掺杂的聚苯并咪唑(PA-PBI)为常用的高温质子交换膜，由于磷酸与PBI的结合力差，在长时间运行过程中磷酸容易渗透到催化剂层，造成磷酸在铂基催化剂表面的强吸附导致催化剂中毒的问题，并且氧分子在磷酸中溶解度低。基于以上问题，本文综述了铂基催化剂、非铂催化剂和非金属催化剂在中高温质子交换膜燃料电池中的应用现状，重点阐述了表面修饰、合金化、载体效应等策略对催化剂在磷酸电解液中的氧还原反应动力学的影响。最后针对目前中高温质子交换燃料电池催化剂发展方向进行了探讨和展望。

English

    1. [1]

      Li, Q.; Jensen, J. O.; Savinell, R. F.; Bjerrum, N. J. Prog. Polym. Sci. 2009, 34, 449. doi: 10.1016/j.progpolymsci.2008.12.003

    2. [2]

      Asensio, J. A.; Sánchez, E. M.; Gómez-Romero, P. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 3210. doi: 10.1039/B922650H

    3. [3]

      Aili, D.; Zhang, J.; Dalsgaard Jakobsen, M. T.; Zhu, H.; Yang, T.; Liu, J.; Forsyth, M.; Pan, C.; Jensen, J. O.; Cleemann, L. N.; et al. J. Mater. Chem. A 2016, 4, 4019. doi: 10.1039/C6TA01562J

    4. [4]

      Liu, S.; Rasinski, M.; Rahim, Y.; Zhang, S.; Wippermann, K.; Reimer, U.; Lehnert, W. J. Power Sources 2019, 439, 227090. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227090

    5. [5]

      Li, Q.; He, R.; Jensen, J. O.; Bjerrum, N. J. Fuel Cells 2004, 4, 147. doi: 10.1002/fuce.200400020

    6. [6]

      Araya, S. S.; Zhou, F.; Liso, V.; Sahlin, S. L.; Vang, J. R.; Thomas, S.; Gao, X.; Jeppesen, C.; Kær, S. K. Int. J. Hydrogen Energy 2016, 41, 21310. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.09.024

    7. [7]

      Singdeo, D.; Dey, T.; Gaikwad, S.; Andreasen, S. J.; Ghosh, P. C. Appl. Energy 2017, 195, 13. doi: 10.1016/j.apenergy.2017.03.022

    8. [8]

      Bai, H.; Peng, H.; Xiang, Y.; Zhang, J.; Wang, H.; Lu, S.; Zhuang, L. J. Power Sources 2019, 443, 227219. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227219

    9. [9]

      Yu, S.; Benicewicz, B. C. Macromolecules 2009, 42, 8640. doi: 10.1021/ma9015664

    10. [10]

      Holst-Olesen, K.; Reda, M.; Hansen, H. A.; Vegge, T.; Arenz, M. ACS Catal. 2018, 8, 7104. doi: 10.1021/acscatal.8b01584

    11. [11]

      Cheng, Y.; He, S.; Lu, S.; Veder, J. P.; Johannessen, B.; Thomsen, L.; Saunders, M.; Becker, T.; De Marco, R.; Li, Q.; et al. Adv. Sci. 2019, 6, 1802066. doi: 10.1002/advs.201802066

    12. [12]

      Strickland, K.; Pavlicek, R.; Miner, E.; Jia, Q.; Zoller, I.; Ghoshal, S.; Liang, W.; Mukerjee, S. ACS Catal. 2018, 8, 3833. doi: 10.1021/acscatal.8b00390

    13. [13]

      Kodama, K.; Motobayashi, K.; Shinohara, A.; Hasegawa, N.; Kudo, K.; Jinnouchi, R.; Osawa, M.; Morimoto, Y. ACS Catal. 2018, 8, 694. doi: 10.1021/acscatal.7b03571

    14. [14]

      Bahlakeh, G.; Hasani-Sadrabadi, M. M.; Emami, S. H.; Eslami, S. N. S.; Dashtimoghadam, E.; Shokrgozar, M. A.; Jacob, K. I. J. Membr. Sci. 2017, 535, 221. doi: 10.1016/j.memsci.2017.04.045

    15. [15]

      Hu, Y.; Jiang, Y.; Jensen, J. O.; Cleemann, L. N.; Li, Q. J. Power Sources 2018, 375, 77. doi: 10.1016/j.jpowsour.2017.11.054

    16. [16]

      Kaserer, S.; Caldwell, K. M.; Ramaker, D. E.; Roth, C. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 6210. doi: 10.1021/jp311924q

    17. [17]

      Mamtani, K.; Jain, D.; Zemlyanov, D.; Celik, G.; Luthman, J.; Renkes, G.; Co, A. C.; Ozkan, U. S. ACS Catal. 2016, 6, 7249. doi: 10.1021/acscatal.6b01786

    18. [18]

      Li, Y.; Jiang, L.; Wang, S.; Sun, G. Chin. J. Catal. 2016, 37, 1134. doi: 10.1016/S1872-2067(16)62472-5

    19. [19]

      Stamenkovic, V. R.; Fowler, B.; Mun, B. S.; Wang, G.; Ross, P. N.; Lucas, C. A.; Marković, N. M. Science 2007, 315, 493. doi: 10.1126/science.1135941

    20. [20]

      Greeley, J.; Stephens, I. E. L.; Bondarenko, A. S.; Johansson, T. P.; Hansen, H. A.; Jaramillo, T. F.; Rossmeisl, J.; Chorkendorff, I.; Nørskov, J. K. Nat. Chem. 2009, 1, 552. doi: 10.1038/nchem.367

    21. [21]

      Srivastava, R.; Mani, P.; Hahn, N.; Strasser, P. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 8988. doi: 10.1002/anie.200703331

    22. [22]

      杨天怡, 崔铖, 戎宏盼, 张加涛, 王定胜.物理化学学报, 2020, 36, 2003047. doi: 10.3866/PKU.WHXB202003047Yang, T. Y.; Cui, C.; Rong, H. P.; Zhang, J. T.; Wang, D. S. Acta Phys. -Chim. Sin. 2020, 36, 2003047. doi: 10.3866/PKU.WHXB202003047

    23. [23]

      He, Q.; Yang, X.; Chen, W.; Mukerjee, S.; Koel, B.; Chen, S. Phy. Chem. Chem. Phy. 2010, 12, 12544. doi: 10.1039/C0CP00433B

    24. [24]

      Li, D.; Wang, C.; Tripkovic, D.; Sun, S.; Markovic, N. M.; Stamenkovic, V. R. ACS Catal. 2012, 2, 1358. doi: 10.1021/cs300219j

    25. [25]

      Wang, C.; Daimon, H.; Lee, Y.; Kim, J.; Sun, S. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 6974. doi: 10.1021/ja070440r

    26. [26]

      Peng, Z.; You, H.; Yang, H. ACS Nano 2010, 4, 1501. doi: 10.1021/nn9016795

    27. [27]

      Zhang, J.; Fang, J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 18543. doi: 10.1021/ja908245r

    28. [28]

      Chung, Y. H.; Chung, D. Y.; Jung, N.; Sung, Y. E. J. Phy. Chem. Lett. 2013, 4, 1304. doi: 10.1021/jz400574f

    29. [29]

      Chung, Y. H.; Kim, S. J.; Chung, D. Y.; Park, H. Y.; Sung, Y. E.; Yoo, S. J.; Jang, J. H. Chem. Commun. 2015, 51, 2968. doi: 10.1039/C4CC09019E

    30. [30]

      Luo, F.; Zhang, Q.; Yang, Z.; Guo, L.; Yu, X.; Qu, K.; Ling, Y.; Yang, J.; Cai, W. ChemCatChem 2018, 10, 5314. doi: 10.1002/cctc.201801256

    31. [31]

      Zhang, Q.; Ling, Y.; Cai, W.; Yu, X.; Yang, Z. Int. J. Hydrogen Energy 2017, 42, 16714. doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.05.070

    32. [32]

      Strmcnik, D.; Escudero-Escribano, M.; Kodama, K.; Stamenkovic, V. R.; Cuesta, A.; Marković, N. M. Nat. Chem. 2010, 2, 880. doi: 10.1038/nchem.771

    33. [33]

      Jeong, D. C.; Mun, B.; Lee, H.; Hwang, S. J.; Yoo, S. J.; Cho, E.; Lee, Y.; Song, C. RSC Adv. 2016, 6, 60749. doi: 10.1039/C6RA13123A

    34. [34]

      Delikaya, Ö.; Zeyat, M.; Lentz, D.; Roth, C. ChemElectroChem 2019, 6, 3892. doi: 10.1002/celc.201900251

    35. [35]

      Liu, G.; Zhang, H.; Zhai, Y.; Zhang, Y.; Xu, D.; Shao, Z. G. Electrochem. Commun. 2007, 9, 135. doi: 10.1016/j.elecom.2006.08.056

    36. [36]

      Hong, S. G.; Kwon, K.; Lee, M. J.; Yoo, D. Y. Electrochem. Commun. 2009, 11, 1124. doi: 10.1016/j.elecom.2009.03.028

    37. [37]

      Jung, N.; Shin, H.; Kim, M.; Jang, I.; Kim, H. J.; Jang, J.; Kim, H.; Yoo, S. Nano Energy 2015, 17, 152. doi: 10.1016/j.nanoen.2015.08.012

    38. [38]

      Jeong, G.; Kim, M.; Han, J.; Kim, H. J.; Shul, Y. G.; Cho, E. J. Power Sources 2016, 323, 142, doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.05.042

    39. [39]

      Mack, F.; Morawietz, T.; Hiesgen, R.; Kramer, D.; Gogel, V.; Zeis, R. Int. J. Hydrogen Energy 2016, 41, 7475. doi: 10.1016/j.ijhydene.2016.02.156

    40. [40]

      Liu, J.; Tang, J.; Gooding, J. J. J. Mater. Chem. 2012, 22, 12435. doi: 10.1039/C2JM31218B

    41. [41]

      Berber, M. R.; Fujigaya, T.; Sasaki, K.; Nakashima, N. Sci. Rep. 2013, 3, 1764. doi: 10.1038/srep01764

    42. [42]

      Yang, Z.; Moriguchi, I.; Nakashima, N. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 9800. doi: 10.1021/acsami.5b01724

    43. [43]

      Stamatin, S. N.; Speder, J.; Dhiman, R.; Arenz, M.; Skou, E. M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 6153. doi: 10.1021/am508982d

    44. [44]

      Yin, S.; Mu, S.; Lv, H.; Cheng, N.; Pan, M.; Fu, Z. Appl. Catal. B 2010, 93, 233. doi: 10.1016/j.apcatb.2009.09.034

    45. [45]

      Lobato, J.; Zamora, H.; Plaza, J.; Cañizares, P.; Rodrigo, M. A. Appl. Catal. B 2016, 198, 516. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.06.011

    46. [46]

      Zamora, H.; Plaza, J.; Velhac, P.; Cañizares, P.; Rodrigo, M. A.; Lobato, J. Appl. Catal. B 2017, 207, 244. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.02.019

    47. [47]

      Kim, D. K.; Kim, H.; Park, H.; Oh, S.; Ahn, S. H.; Kim, H. J.; Kim, S. K. J. Power Sources 2019, 438, 227022. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227022

    48. [48]

      Yang, Z.; Nakashima, N. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 23316. doi: 10.1039/C5TA06735A

    49. [49]

      Yang, Z.; Berber, M. R.; Nakashima, N. Electrochim. Acta 2015, 170, 1. doi: 10.1016/j.electacta.2015.04.122

    50. [50]

      Park, H. Y.; Lim, D. H.; Yoo, S. J.; Kim, H. J.; Henkensmeier, D.; Kim, J. Y.; Ham, H. C.; Jang, J. H. Sci. Rep. 2017, 7, 7186. doi: 10.1038/s41598-017-06812-w

    51. [51]

      Millán, M.; Zamora, H.; Rodrigo, M. A.; Lobato, J. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 5927. doi: 10.1021/acsami.6b13071

    52. [52]

      Lim, J. E.; Lee, U. J.; Ahn, S. H.; Cho, E.; Kim, H. J.; Jang, J. H.; Son, H.; Kim, S. K. Appl. Catal. B 2015, 165, 495. doi: 10.1016/j.apcatb.2014.10.042

    53. [53]

      Neyerlin, K. C.; Singh, A.; Chu, D. J. Power Sources 2008, 176, 112. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.10.030

    54. [54]

      Chung, Y. H.; Kim, S. J.; Chung, D. Y.; Lee, M. J.; Jang, J. H.; Sung, Y. E. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 13726. doi: 10.1039/C4CP00187G

    55. [55]

      Lee, K. S.; Yoo, S. J.; Ahn, D.; Kim, S. K.; Hwang, S. J.; Sung, Y. E.; Kim, H. J.; Cho, E.; Henkensmeier, D.; Lim, T. H.; Jang, J. H. Electrochim. Acta 2011, 56, 8802. doi: 10.1016/j.electacta.2011.07.084

    56. [56]

      Park, H.; Kim, K. M.; Kim, H.; Kim, D. K.; Won, Y. S.; Kim, S. K. Korean J. Chem. Eng. 2018, 35, 1547. doi: 10.1007/s11814-018-0059-z

    57. [57]

      Park, H.; Kim, D. K.; Kim, H.; Oh, S.; Jung, W. S.; Kim, S. K. Appl. Surf. Sci. 2020, 510, 145444. doi: 10.1016/j.apsusc.2020.145444

    58. [58]

      Zagudaeva, N. M.; Tarasevich, M. R. Russ. J. Electrochem. 2010, 46, 530. doi: 10.1134/S102319351005006X

    59. [59]

      Mamlouk, M.; Scott, K. J. Power Sources 2011, 196, 1084. doi: 10.1016/j.jpowsour.2010.08.021

    60. [60]

      Hu, Y.; Shen, T.; Zhao, X.; Zhang, J.; Lu, Y.; Shen, J.; Lu, S.; Tu, Z.; Xin, H. L.; Wang, D. Appl. Catal. B 2020, 279, 11937. doi: 10.1016/j.apcatb.2020.119370

    61. [61]

      Ghoshal, S.; Jia, Q.; Bates, M. K.; Li, J.; Xu, C.; Gath, K.; Yang, J.; Waldecker, J.; Che, H.; Liang, W.; et al. ACS Catal. 2017, 7, 4936. doi: 10.1021/acscatal.7b01061

    62. [62]

      杨晓冬, 陈驰, 周志有, 孙世刚.物理化学学报, 2019, 35, 472. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806131Yang, X. D.; Chen, C.; Zhou, Z. Y.; Sun, S. G. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 472. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806131

    63. [63]

      王倩倩, 刘大军, 何兴权.物理化学学报, 2019, 35, 740. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809003Wang, Q. Q.; Liu, D. J.; He, X. Q. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 740. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809003

    64. [64]

      Hu, Y.; Jensen, J. O.; Pan, C.; Cleemann, L. N.; Shypunov, I.; Li, Q. Appl. Catal. B 2018, 234, 357. doi: 10.1016/j.apcatb.2018.03.056

    65. [65]

      Li, Q.; Wu, G.; Cullen, D. A.; More, K. L.; Mack, N. H.; Chung, H. T.; Zelenay, P. ACS Catal. 2014, 4, 3193. doi: 10.1021/cs500807v

    66. [66]

      Jain, D.; Gustin, V.; Basu, D.; Gunduz, S.; Deka, D. J.; Co, A. C.; Ozkan, U. S. J. Catal. 2020, 390, 150. doi: 10.1016/j.jcat.2020.07.012

    67. [67]

      Najam, T.; Shah, S. S. A.; Ding, W.; Wei, Z. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 16796. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b03730

    68. [68]

      费慧龙, 段镶锋.物理化学学报, 2019, 35, 559. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809016Fei, H. L.; Duan, X. F. Acta Phys. -Chim. Sin. 2019, 35, 559. doi: 10.3866/PKU.WHXB201809016

    69. [69]

      Najam, T.; Shah, S. S. A.; Ding, W.; Jiang, J.; Jia, L.; Yao, W.; Li, L.; Wei, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 15101. doi: 10.1002/anie.201808383

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  33
  • 文章访问数:  1931
  • HTML全文浏览量:  642
文章相关
  • 发布日期:  2021-09-15
  • 收稿日期:  2020-09-27
  • 接受日期:  2020-10-27
  • 修回日期:  2020-10-24
  • 网络出版日期:  2020-11-04
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net