超低铂用量质子交换膜燃料电池

王健 丁炜 魏子栋

引用本文: 王健, 丁炜, 魏子栋. 超低铂用量质子交换膜燃料电池[J]. 物理化学学报, 2021, 37(9): 200909. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009094 shu
Citation:  Wang Jian, Ding Wei, Wei Zidong. Performance of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells at Ultra-Low Platinum Loadings[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(9): 200909. doi: 10.3866/PKU.WHXB202009094 shu

超低铂用量质子交换膜燃料电池

    作者简介:
    丁炜,1986年生,国家优秀青年基金获得者,重庆市杰青基金获得者,重庆市青年拔尖人才,博导。2014年于重庆大学获得博士学位。主要从事电化学催化,燃料电池,新能源技术方面的研究;
    魏子栋,1963年生,教育部长江学者特聘教授,博导,重庆大学化学化工学院院长。1994年于天津大学获得博士学位。主要从事电化学催化,燃料电池,新能源技术方面的研究;
    通讯作者: 丁炜, dingwei128@cqu.edu.cn; 魏子栋, zdwei@cqu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(22022502, 21776024)和重庆市青年拔尖(02200011130003)资助项目

摘要: 质子交换膜燃料电池(PEMFCs)作为一种清洁、高效的能源转换装置,被认为是未来能源转换的重要技术之一,是取代现有汽车内燃机的重要途径之一。目前,PEMFCs广泛使用铂基电催化剂,电堆组装的技术水平已降低到0.2 g·kW-1。然而,按照汽车行业铂全球用量(约90 t铂,生产9500万辆),大规模应用需要将系统铂用量将至0.01 g·kW-1,挑战巨大。实现铂利用率数量级的提升,当前研究主要集中在开发高活性、高利用率、高稳定的、抗溺水的新型铂基催化剂;开发高透氧率、疏水性新型离聚物,制备超薄质子膜;合理设计高传质性能、高利用率的催化层。本文主要针对上述的问题进行了综述,分析了其催化活性增强的机理,讨论了膜电极组成设计和影响因素。

English

    1. [1]

      Gong, Y. Synthesis, Characterization and Performance Testing of Pt-Based Electrocatalysts for Low Temperature Pem Fuel Cells. In Chemical Engineering, Energy; ProQuest Dissertations Publishing: Ann Arbor, 2008; p. 0176.

    2. [2]

      Nie, Y.; Li, L.; Wei, Z. Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 2168. doi: 10.1002/chin.201525299

    3. [3]

      Stephens, I. E. L.; Rossmeisl, J.; Chorkendorff, I. Science 2016, 354, 1378. doi: 10.1126/science.aal3303

    4. [4]

      Gasteiger, H. A.; Marković, N. M. Science 2009, 324, 48. doi: 10.1126/science.1172083

    5. [5]

      Middelman, E. Fuel Cells Bull. 2002, 2002, 9. doi: 10.1016/S1464-2859(02)11028-5

    6. [6]

      Lin, R.; Cai, X.; Zeng, H.; Yu, Z. Adv. Mater. 2018, 30, e1705332. doi: 10.1002/adma.201705332

    7. [7]

      Sui, S.; Wang, X.; Zhou, X.; Su, Y.; Riffat, S.; Liu, C. J. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 1808.doi: 10.1039/C6TA08580F

    8. [8]

      Markovic, N.; Adžic, R. R.; Cahan, B. D.; Yeager, E. J. Electroanal. Chem. 1994, 377, 249. doi: 10.1016/0022-0728(94)03467-2

    9. [9]

      Markovic, N. M.; Gasteiger, H. A.; Ross, P. N. J. Phys. Chem. 1996, 100, 6715. doi: 10.1021/j100011a001

    10. [10]

      Markovic, N. M.; Gasteiger, H. A.; Ross, P. N. J. Phys. Chem. 1995, 99, 3411. doi: 10.1021/j100011a001

    11. [11]

      Wu, J.; Yang, H. Nano Res. 2010, 4, 72. doi: 10.1007/s12274-010-0049-x

    12. [12]

      Wu, J.; Qi, L.; You, H.; Gross, A.; Li, J.; Yang, H. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 11880. doi: 10.1021/ja303950v

    13. [13]

      Tian, N.; Zhou, Z.; Sun, S.; Ding, Y.; Wang, Z. L. Science 2007, 316, 732. doi: 10.1126/science.1140484

    14. [14]

      Lee, S. W.; Chen, S.; Sheng, W.; Yabuuchi, N.; Kim, Y.; Mitani, T.; Vescovo, E.; Shaohorn, Y. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 15669. doi: 10.1021/ja9025648

    15. [15]

      Zhou, Z.; Huang, Z.; Chen, D.; Wang, Q.; Tian, N.; Sun, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 411.doi: 10.1002/ange.200905413

    16. [16]

      Han, N.; Zhou, Z. Y.; Sun, S. G.; Ding, Y.; Wang, Z. L. Science 2007. doi: 10.1126/science.1140484

    17. [17]

      Liu, S.; Tian, N.; Xie, A. Y.; Du, J. H.; Xiao, J.; Liu, L.; Sun, H. Y.; Cheng, Z. Y.; Zhou, Z. Y.; Sun, S. G. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 5753. doi: 10.1021/jacs.5b13473

    18. [18]

      Yu, T.; Kim, D. Y.; Zhang, H.; Xia, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2773. doi: 10.1002/anie.201007859

    19. [19]

      Landsman, D. A.; Luczak, F. J., Noble Metal-Chromium Alloy Catalysts and Electrochemical Cell. US Patent, US06/160517, 1982.

    20. [20]

      Jia, Q.; Liang, W.; Bates, M. K.; Mani, P.; Lee, W.; Mukerjee, S. ACS Nano 2015, 9, 387. doi: 10.1021/nn506721f

    21. [21]

      Stephens, I. E. L.; Bondarenko, A. S.; Grønbjerg, U.; Rossmeisl, J.; Chorkendorff, I. Energ. Environ. Sci. 2012, 5, 6744. doi: 10.1039/C2EE03590A

    22. [22]

      Kugler, E.; Boudart, M. J. Catal. 1979, 59, 201. doi: 10.1016/S0021-9517(79)80025-1

    23. [23]

      Lim, J.; Shin, H.; Kim, M.; Lee, H.; Lee, K. S.; Kwon, Y.; Song, D.; Oh, S.; Kim, H.; Cho, E. Nano Lett. 2018, 18, 2450. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00028

    24. [24]

      Huang, X.; Zhao, Z.; Cao, L.; Chen, Y.; Zhu, E.; Lin, Z.; Li, M.; Yan, A.; Zettl, A.; Wang, Y. M. Science 2015, 348, 1230. doi: 10.1126/science.aaa8765

    25. [25]

      Koh, S.; Strasser, P. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 42, 12624. doi: 10.1021/ja0742784

    26. [26]

      Wang, H.; Xu, S.; Tsai, C.; Li, Y.; Liu, C.; Zhao, J.; Liu, Y.; Yuan, H.; Abild-Pedersen, F.; Prinz, F. B. Science 2016, 354, 1031. doi: 10.1126/science.aaf7680

    27. [27]

      Bu, L.; Zhang, N.; Guo, S.; Zhang, X.; Li, J.; Yao, J.; Wu, T.; Lu, G.; Ma, J. Y.; Su, D. Science 2016, 354, 1410. doi: 10.1126/science.aah6133

    28. [28]

      Wang, X. X.; Hwang, S.; Pan, Y. T.; Chen, K.; He, Y.; Karakalos, S.; Zhang, H.; Spendelow, J. S.; Su, D.; Wu, G. Nano Lett. 2018, 18, 4163. doi: 10.1021/acs.nanolett.8b00978

    29. [29]

      Wang, Q.; Wang, Q.; Chen, S.; Shi, F.; Chen, K.; Nie, Y.; Wang, Y.; Wu, R.; Li, J.; Zhang, Y.; Ding, W.; Li, Y.; Li, L.; Wei, Z. Adv. Mater. 2016, 28, 10673. doi: 10.1002/adma.201603509

    30. [30]

      Feng, Y.; Huang, B.; Yang, C.; Shao, Q.; Huang, X. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1904429. doi: 10.1002/adfm.201904429

    31. [31]

      Tian, X.; Zhao, X.; Su, Y. Q.; Wang, L.; Wang, H.; Dang, D.; Chi, B.; Liu, H.; Hensen, E. J. M.; Lou, X. W. Science. 2019, 366, 850. doi: 10.1126/science.aaw7493

    32. [32]

      Chen, C.; Kang, Y.; Huo, Z.; Zhu, Z.; Huang, W.; Xin, H. L.; Snyder, J.; Li, D.; Herron, J. A.; Mavrikakis, M. Science 2014, 343, 1339. doi: 10.1126/science.1249061

    33. [33]

      Li, M.; Zhao, Z.; Cheng, T.; Fortunelli, A.; Chen, C.; Yu, R.; Zhang, Q.; Gu, L.; Merinov, B. V.; Lin, Z. Science 2016, 354, 1414. doi: 10.1126/science.aaf9050

    34. [34]

      Zeng, X.; Shui, J.; Liu, X.; Liu, Q.; Li, Y.; Shang, J.; Zheng, L.; Yu, R. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1701345. doi: 10.1002/aenm.201701345

    35. [35]

      Cui, L.; Li, Z.; Wang, H.; Cui, L.; Zhang, J.; Lu, S.; Xiang, Y. ACS Appl. Energy Mater. 2020, 3, 3807. doi: 10.1021/acsaem.0c00255

    36. [36]

      Chong, L.; Wen, J.; Kubal, J.; Sen, F.; Zou, J.; Greeley, J. P.; Chan, M. K. Y.; Barkholtz, H. M.; Ding, W.; Liu, D. Science 2018, 362, 1276. doi: 10.1126/science.aau0630

    37. [37]

      Ao, X.; Zhang, W.; Zhao, B.; Ding, Y.; Nam, G.; Soule, L.; Abdelhafiz, A.; Wang, C.; Liu, M. Energ. Environ. Sci. 2020. doi: 10.1039/D0EE00832J

    38. [38]

      Chen, Y.; Ji, S.; Wang, Y.; Dong, J.; Chen, W.; Li, Z.; Shen R.; Zheng L.; Zhuang Z.; Wang, D.; Li, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 6937. doi: 10.1002/ange.201702473

    39. [39]

      Yin, P.; Yao, T.; Wu, Y.; Zheng, L.; Lin, Y.; Liu, W.; Ju, H.; Zhu, J.; Hong, X.; Deng, Z. Zhou, G.; Wei, S.; Li, Y. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 10800. doi: 10.1002/anie.201604802

    40. [40]

      Qu, Y.; Li, Z.; Chen, W.; Lin, Y.; Yuan, T.; Yang, Z.; Zhao, C.; Wang, J.; Zhao, C.; Wang, X.; Zhou, F.; Zhuang, Z.; Wu, Y.; Li, Y. Nat. Catal. 2018, 1, 781. doi: 10.1038/s41929-018-0146-x

    41. [41]

      Wan, C.; Duan, X.; Huang, Y. Adv. Energy Mater. 2020, 10, 1903815. doi: 10.1002/aenm.201903815

    42. [42]

      Wei, S. J.; Li, A.; Liu, J. C.; Li, Z.; Chen, W. X.; Gong, Y.; Zhang, Q.H.; Cheong, W. C.; Wang, Y.; Zheng, L. R.; Xiao, H.; Chen, C.; Wang, D. S.; Peng, Q.; Gu, L.; Han, X. D.; Li, J.; Li, Y. D. Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 856. doi: 10.1038/s41565-018-0197-9

    43. [43]

      Fu, Q.; Saltsburg, H.; Flytzani-tephanopoulos, M. Science 2003, 301, 935. doi: 10.1126/science.1085721

    44. [44]

      Liu, J.; Jiao, M.; Lu, L.; Barkholtz, H. M.; Li, Y.; Wang, Y.; Jiang, L.; Wu, Z.; Liu, D.; Zhuang, L.; Ma, C.; Zeng, J.; Zhang, B.; Su, D.; Song, P.; Xing, W.; Xu, W.; Wang, Y.; Jiang, Z.; Sun, G. Nat. Commun. 2017, 8, 15938. doi: 10.1038/ncomms16160

    45. [45]

      Liu, J.; Jiao, M.; Mei, B.; Tong, Y.; Li, Y.; Ruan, M.; Song, P.; Sun, G.; Jiang, L.; Wang, Y.; Jiang, Z.; Gu, L.; Zhou, Z.; Xu, W.; Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 1163. doi: 10.1002/anie.201812423

    46. [46]

      Zhao, J.; Deng, Q.; Bachmatiuk, A.; Sandeep, G.; Popov, A. A.; Eckert, J.; Rummeli, M. H. Science 2014, 343, 1228. doi: 10.1126/science.1245273

    47. [47]

      Huang, X.; Tang, S.; Mu, X.; Dai, Y.; Chen, G.; Zhou, Z.; Ruan, F.; Yang, Z.; Zheng, N. Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 28. doi: 10.1038/nnano.2010.235

    48. [48]

      Duan, H.; Yan, N.; Yu, R.; Chang, C.; Zhou, G.; Hu, H.; Rong, H.; Niu, Z.; Mao, J.; Asakura, H. Nat. Commun. 2014, 5, 3093. doi: 10.1038/ncomms4093

    49. [49]

      Niu, J.; Wang, D.; Qin, H.; Xiong, X.; Tan, P.; Li, Y.; Liu, R.; Lu, X.; Wu, J.; Zhang, T. Nat. Commun. 2014, 5, 3313. doi: 10.1038/ncomms4313

    50. [50]

      Jang, K.; Kim, H. J.; Son, S. U. Chem. Mater. 2010, 22, 1273. doi: 10.1021/cm902948v

    51. [51]

      Jiang, J.; Ding, W.; Li, W.; Wei, Z. Chem 2020, 6, 431. doi: 10.1016/j.chempr.2019.11.003

    52. [52]

      Lang, X. Y.; Han, G. F.; Xiao, B. B.; Gu, L.; Yang, Z. Z.; Wen, Z.; Zhu, Y. F.; Zhao, M.; Li, J. C.; Jiang, Q. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 230. doi: 10.1002/adfm.201401868

    53. [53]

      Liu, X.; Wang, H.; Chen, S.; Qi, X.; Gao, H.; Hui, Y.; Bai, Y.; Guo, L.; Ding, W.; Wei, Z. J. Energy Chem. 2014, 23, 358. doi: 10.1016/S2095-4956(14)60158-3

    54. [54]

      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

    55. [55]

      Harzer, G. S.; SchwMmlein, J. N.; Damjanovi, A. M.; Ghosh, S.; Gasteiger, H. A. J. Electrochem. Soc. 2018, 165, F3118. doi: 10.1149/2.0161806jes

    56. [56]

      Wang, J.; Wu, G.; Wang, W.; Xuan, W.; Jiang, J.; Wang, J.; Li, L.; Lin, W. F.; Ding, W.; Wei, Z. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 19786. doi: 10.1039/C9TA06712D

    57. [57]

      Yarlagadda, V.; Carpenter, M. K.; Moylan, T. E.; Kukreja, R. S.; Koestner, R.; Gu, W.; Thompson, L.; Kongkanand, A. ACS Energy Lett. 2018, 3, 618.doi: 10.1021/acsenergylett.8b00186

    58. [58]

      Muzaffar, T.; Kadyk, T.; Eikerling, M. Sustain. Energy Fuels 2018, 2, 1189. doi: 10.1039/C8SE00026C

    59. [59]

      Wang, J.; Wu, G.; Xuan, W.; Wang, W.; Ding, W.; Wei, Z. Int. J. Hydrogen Energ. 2020, 45, 22649. doi: 10.1016/j.ijhydene.2020.06.047

    60. [60]

      Chen, S.; Wei, Z.; Li, H.; Li, L. Chem. Commun. 2010, 46, 8782. doi: 10.1039/c0cc02802a

    61. [61]

      Wang, M.; Rome, G.; Medina, S.; Pfeilsticker, J. R.; Kang, Z.; Pylypenko, S.; Ulsh, M.; Bender, G. J. Power Sources 2020, 466, 228344. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.228344

    62. [62]

      Wang, Q.; Eikerling, M.; Song, D.; Liu, Z.; Navessin, T.; Zhong, X.; Holdcroft, S. J. Electrochem. Soc. 2005, 151, A1171. doi: 10.1149/1.1753580

    63. [63]

      Yu, H.; Baricci, A.; Casalegno, A.; Guetaz, L.; Bonville, L.; Maric, R. Electrochim. Acta 2017, 247, 1169. doi: 10.1016/j.electacta.2017.06.145

    64. [64]

      Yu, H.; Baricci, A.; Bisello, A.; Casalegno, A.; Guetaz, L.; Bonville, L.; Maric, R. Electrochim. Acta 2017, 247, 1155. doi: 10.1016/j.electacta.2017.07.093

    65. [65]

      Zheng, Z.; Yang, F.; Lin, C.; Zhu, F.; Shen, S.; Wei, G.; Zhang, J. J. Power Sources, 2020, 451, 227729. doi: 10.1016/j.jpowsour.2020.227729

    66. [66]

      Tian, Z. Q.; Lim, S.; Poh, C.; Tang, z.; Xia, Z.; Luo, Z.; Shen, P.; Chua, Y.; Feng, Y.; Shen, Z.; Lin, J. Adv. Energy Mater. 2011, 1, 1205. doi: 10.1002/aenm.201100371

    67. [67]

      Murata, S.; Imanishi, M.; Hasegawa, S.; Namba, R. J. Power Sources 2014, 253, 104. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.11.073

    68. [68]

      Debe, M. K. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, F522. doi: 10.1149/2.049306jes

    69. [69]

      Zeng, Y.; Shao, Z.; Zhang, H.; Wang, Z.; Hong, S.; Yu, H.; Yi, B. Nano Energy 2017, 34, 344. doi: 10.1016/j.nanoen.2017.02.038

    70. [70]

      Ji, M. B.; Wei, Z. D.; Chen, S. G.; Li, L. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 765. doi: 10.1021/jp807773m

    71. [71]

      Wang, M. J.; Zhao, T.; Luo, W.; Mao, Z. X.; Chen, S.; Ding, W.; Deng, Y.; Li, W.; Li, J.; Wei, Z. AIChE J. 2018, 64, 2881. doi: 10.1002/aic.16140

    72. [72]

      陈雯慧, 陈胜利.物理化学学报, 2018, 35, 517. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806011Chen, W. H.; Chen, S. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2018, 35, 517. doi: 10.3866/PKU.WHXB201806011

    73. [73]

      Passos, R. R.; Paganin, V. A.; Ticianelli, E. A. Electrochim. Acta 2006, 51, 5239. doi: 10.1016/j.electacta.2006.01.044

    74. [74]

      Suzuki, A.; Sen, U.; Hattori, T.; Mima, R.; Nagumo, R.; Tsuboi, H.; Hatakeyama, N.; Endou, A.; Takab, H.; Williams, M.; Miyamoto, A. Int. J. Hydrogen Energ. 2011, 36, 2221. doi: 10.1016/j.ijhydene.2010.11.076

    75. [75]

      Lee, D.; Hwang, S. Int. J. Hydrogen Energ. 2008, 33, 2790. doi: 10.1016/j.ijhydene.2008.03.046

    76. [76]

      Zhao, X.; Li, W.; Fu, Y.; Manthiram, A. Int. J. Hydrogen Energ. 2012, 37, 9845. doi: 10.1016/j.ijhydene.2012.03.107

    77. [77]

      Passalacqua, E.; Lufrano, F.; Squadrito, G.; Patti, A.; Giorgi, L. Electrochim. Acta 2002, 46, 799. doi: 10.1016/S0013-4686(00)00679-4

    78. [78]

      Liu, F.; Yi, B.; Xing, D.; Yu, J.; Zhang, H. J. Membrane Sci. 2003, 212, 213. doi: 10.1016/S0376-7388(02)00503-3

    79. [79]

      Adachi, M.; Navessin, T.; Xie, Z.; Li, F. H.; Tanaka, S.; Holdcroft, S. J. Membrane Sci. 2010, 364, 183. doi: 10.1016/j.memsci.2010.08.011

    80. [80]

      Klingele, M.; Breitwieser, M.; Zengerle, R.; Thiele, S. J. Mater. Chem. A 2015, 3, 11239. doi: 10.1039/C5TA01341K

    81. [81]

      Breitwieser, M.; Klingele, M.; Britton, B.; Holdcroft, S.; Zengerle, R.; Thiele, S. Electrochem. Commun. 2015, 60, 168. doi: 10.1016/j.elecom.2015.09.006

    82. [82]

      Omosebi, A.; Besser, R. S. J. Power Sources 2013, 228, 151. doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.11.076

    83. [83]

      Chi, W. S.; Jeon, Y.; Park, S. J.; Kim, J. H.; Shul, Y. G. ChemPlusChem 2014, 79, 1109. doi: 10.1002/cplu.201402083

    84. [84]

      Paul, M. T. Y.; Saha, M. S.; Qi, W. L.; Stumper, J.; Gates, B. D. Int. J. Hydrogen Energ. 2020, 45, 1304. doi: 10.1016/j.ijhydene.2019.05.186

    85. [85]

      Omosebi, A.; Besser, R. S. Fuel Cells 2017, 17, 762. doi: 10.1002/fuce.201600183

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  24
  • 文章访问数:  2140
  • HTML全文浏览量:  438
文章相关
  • 发布日期:  2021-09-15
  • 收稿日期:  2020-09-29
  • 接受日期:  2020-10-30
  • 修回日期:  2020-10-27
  • 网络出版日期:  2020-11-06
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