离子液体如何提升燃料电池催化剂反应性和耐久性?

2024-10-18 14:58:17 sh默尼 3

高比表面积(HSA)碳载体因其内部介孔性高,已成为燃料电池应用的理想候选材料。HSA可以容纳高达75%的铂活性表面积在介孔内(尺寸在5.5-14 nm)。尽管HSA铂基催化剂具有相当高的ORR活性,但它们往往在催化层的离子网络中表现出较高的质子传输阻力。这与高氧传质阻力一起导致显着的电压损失,特别是在高电流密度下,局部传质限制变得更加明显,需要更多的质子和氧气来驱动 ORR 反应。由于尺寸排斥离聚体不能穿透HSA碳载体的微孔和较小的中孔,因此液态水负责将质子传输到 Pt 反应位点。然而,水的离子电导率比离聚物小几个数量级,即使在密闭环境中,它也比 Nafion 小两个数量级。因此,用(2.77–5.3×103)mol m−3范围内的高离子液体(IL)填充微孔和较小的中孔是向孔内Pt活性位点提供足够的质子输送的有效方法。



研究了三种离子液体:[C2mim]+[NTf2]−;[C4mim]+[NTf2]−;[C4dmim]+ [NTf2]−。这些咪唑类化合物之所以被选中,是因为它们具有良好的离子性、传输性能和稳定性。三种离子液体的阴离子结构相同,但阳离子随烷基链长的不同而不同。

[C4dmim]+ [NTf2]−和[C2mim]+[NTf2]−相比阳离子化学结构上增加了一个甲基。这些结果证实,含有离子液体的催化剂在 30,000 次循环后对 ORR 更具活性,因为 (1) ECSA 保留更高,(2) Nafion 降解后孔内剩余 IL 分子具有足够的质子传导性。研究表明[C4mim]+[NTf2]-修饰的Pt/C催化剂具有最佳的疏水性、质子导电性和氧气传输阻力,峰值功率密度为0.909 W cm-2,使MA和SA分别提高20%和75%。在加速应力测试(AST)评估下,与基线相比,Pt/C-([C4mim]+[NTf2]-)实现了更好的耐久性。


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