《Sci Adv》：高性能燃料電池電極的一種3D打印獨(dú)特電催化劑

來源：材料科學(xué)與工程

由氫氣和燃料電池技術(shù)產(chǎn)生的電化學(xué)能源，被認(rèn)為是全球努力使能源消耗遠(yuǎn)離碳基燃料的關(guān)鍵。雖然目前用于發(fā)電的電化學(xué)技術(shù)已證明其在某些應(yīng)用（如綠色交通）中的可行性，但人們普遍認(rèn)為，電化學(xué)材料的突破對于實(shí)現(xiàn)燃料電池等電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)際性能、耐久性和成本效益至關(guān)重要，如燃料電池。特別是，聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFCs）的動(dòng)力學(xué)傳遞受到氧還原反應(yīng)（ORR）緩慢動(dòng)力學(xué)的限制。燃料電池電極的理想設(shè)計(jì)包括在傳輸介質(zhì)和催化劑顆粒的相對比例上的微妙平衡，以及它們的分布和排列，以形成一個(gè)更有效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。其中，當(dāng)用于聚合物電解質(zhì)膜燃料電池時(shí)，無負(fù)載的Pt電催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。然而，它們的極薄和低孔隙率導(dǎo)致比表面積不足和傳質(zhì)阻力大。

基于此，韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）Yeon Sik Jung和韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）Jin Young Kim介紹了一類獨(dú)特的三維 (3D) 定制的多尺度Pt納米結(jié)構(gòu)(PtNAs)，基于單個(gè)Pt納米線構(gòu)建塊進(jìn)行打印，其可用于高性能燃料電池電催化劑。與商業(yè)Pt/C相比，通過超高分辨率納米轉(zhuǎn)移打印制造的3D多尺度PtNA表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（最大功率密度提高43%）和高耐用性（5000 次循環(huán)僅損失5%的表面積）。相關(guān)論文以題為“Conformation-modulated three-dimensional electrocatalysts for high-performance fuel cell electrodes”發(fā)表在Science Advances。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/30/eabe9083

具體來說，這些獨(dú)特3D Pt納米結(jié)構(gòu)基于納米轉(zhuǎn)移印刷 (nTP) 技術(shù)將2D陣列順序堆疊來構(gòu)建PtNAs。其中，nTP是一種強(qiáng)大的合成技術(shù)，用于獲得各種3D構(gòu)建塊以及優(yōu)化 3D 組件的幾何形狀和功能，這也是PtNAs明顯優(yōu)勢所在。與商業(yè)Pt/C相比，它們具有較少曲折的傳質(zhì)路徑和更高的活性材料利用率。發(fā)現(xiàn)性能最佳的PtNA在半電池中具有超過普通Pt/C催化劑1.88倍的比活性，并且在單電池中的最大功率密度比傳統(tǒng)Pt/C催化劑高43%。此外，使用理論和實(shí)驗(yàn)分析對這些新設(shè)計(jì)的PtNA催化劑進(jìn)行了探索，觀察到的出色性能和耐久性的結(jié)果揭示了3D結(jié)構(gòu)參數(shù)與催化性能之間的重要關(guān)系。

圖1. 通過nTP對3D PtNAs 進(jìn)行幾何控制

圖2. 制備的PtNAs TEM表征

圖3. 制備的PtNAs XPS和XAFS表征

圖4. 液態(tài)半電池測試

圖5. 多尺度PtNA和單電池測試

圖6. 基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的數(shù)值模擬

總之，本文證明了多尺度PtNAs可以通過具有受控直徑和間距的對齊Pt納米線構(gòu)建塊的3D堆疊打印，制造為PEMFC的高性能電催化劑。電化學(xué)表明，單模式PtNA在ECSA 和傳質(zhì)方面并不理想，這表明設(shè)計(jì)和構(gòu)建由密集和稀疏構(gòu)建塊組成的多尺度PtNA以最大化其電化學(xué)性能。結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)研究，還評估了催化劑的利用率和比有效表面積，以確定最佳結(jié)構(gòu)。（文：Doublenine）