主动站点集成的层次性多孔纳米纤维,用于改善燃料电池中的氧气减少
Yiming Leng1, Qing Han1, Jialiang Zhang1
1State Key Laboratory of Organic-Inorganic Composites, Beijing University of Chemical Technology, Beijing, 100029, P. R. China.
Small (Weinheim an der Bergstrasse, Germany)
|May 28, 2025
概括
这项研究引入了一种新的纳米纤维催化剂结构,用于燃料电池中的氧降解反应 (ORR). 这种设计通过优化活跃站点和改善大规模运输,提高功率密度来提高性能.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 电化学 电化学 电化学
- 化学工程是化学工程的重要组成部分.
背景情况:
- 金属--碳 (M-N-C) 材料是氧降解反应 (ORR) 的有希望的非贵重电催化剂.
- 质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 的挑战包括复杂的环境和影响电催化剂设计的质量运输需求.
- 优化活性站点和大规模运输对于PEMFC中M-N-C催化剂的性能至关重要.
研究的目的:
- 开发一种自支膜,由以石化伊米达酸盐框架连接的纳米纤维组成,用于集成的活性位点和质量转移优化.
- 设计纳米纤维状电催化剂 (FeSA/AC-N-PCNFs) 具有层次的多孔结构,用于定分散的原子Fe-N4和Fe集群.
- 评估FeSA/AC-N-PCNFs作为PEMFC中的阴极催化剂层的性能,并评估它们的质量传输特性.
主要方法:
- 制造有氧化伊米达酸框架连接的纳米纤维.
- 合成具有层次性多孔结构的FeSA/AC-N-PCNFs.
- 使用FeSA/AC-N-PCNF作为阴极催化剂层组装PEMFCs.
- 模拟有限元来分析氧气扩散电阻.
主要成果:
- FeSA/AC-N-PCNFs在层次性的多孔结构中表现出散的原子Fe-N4和Fe集群活性位点.
- 与FeSA/AC-N-PCNF组装的PEMFC与传统喷雾方法相比,最大功率密度增加了43%.
- 有限元模拟证实,自支的多孔纤维结构显著降低了氧气扩散阻力.
结论:
- 拟议的纳米纤维膜策略有效地优化了M-N-C电催化剂的活性位点和质量转移通道.
- FeSA/AC-N-PCNFs的结构工程为提高PEMFC的性能提供了一个可行的途径.
- 这项工作为设计和制造用于燃料电池应用的高性能电催化剂开辟了新的途径.
