【文章信息】
从催化剂到电极——黑魔法的工程化打开方式：利用原子层沉积法将晶格应变催化剂直接组装至质子交换膜燃料电池电极
第一作者：徐石城，王肇璇
通讯作者：徐石城，Fritz B. Prinz
单位：斯坦福大学、大众汽车
【研究背景】
基于质子交换膜的氢燃料电池是下一代绿色动力的重要技术。其中，参与氧气还原反应的阴极催化剂是制约燃料电池性能的关键。
近年来，许多课题组在阴极催化剂的研究上取得了喜人的进展，然而，基于新催化剂的高性能电极在文献中却鲜有报道。从催化剂合成到制备浆液，再到制备电极，有着诸多步骤并影响电极性能的因素。制备浆液常常被戏称为“黑魔法”；“黑”大抵是由于催化剂的碳载体是黑色的缘故，那“魔法”一说就在于尚无确切规律可循，需要依赖于研究人员的经验和努力尝试。
斯坦福大学机械工程系的纳米成型实验室重新设计了燃料电池电极的结构和制备方法，为电催化电极的工程设计和快速优化提供了新的路径。
【文章简介】
近日，来自斯坦福大学的徐石城研究员和Fritz Prinz教授，在国际知名期刊Advanced Materials上发表题为“Direct Integration of Strained-Pt Catalysts into Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells with Atomic Layer Deposition”的研究工作。
该文章为燃料电池的发展出具了一个新的思路。这是继该课题组在“Direct and continuous strain control of catalysts with tunable battery electrode materials”Science (2016) 和“Extending the limits of Pt/C catalysts with passivation-gas-incorporated atomic layer deposition”Nature Catalysis（2018）之后，原子层沉积法制备的催化剂首次应用于实用电极。该成果对高功率密度的低铂负载燃料电池有着重要的指导意义。
图1. 基于原子层沉积法的催化剂设计和电极制备。
【文章要点】
要点一：基于原子层沉积法的催化剂设计
原子层沉积法是一种纳米级别的增材技术。许多单质和化合物都已经有成熟的沉积方案，可用此技术在纳米材料表面负载各种材料，小至单原子，大致纳米薄膜。原子层沉积法非常适合制备电催化剂并进行原子尺度的调节。
本文展示了使用氧化钴作为应力模板来调节铂催化剂的晶格应变。通过将氧化钴模板溶出，铂原子受限于其较高的表面能会坍塌至载体表面，形成有应力残余的催化结构。通过调节模板和表层催化剂的结构，可以得到不同结构和催化性能的催化剂。
要点二：基于原子层沉积法的电极制备
常见的催化剂研究过程始于催化剂的制备，随后制浆，在旋转圆盘电极上测试性能，最后再针对膜电极制备工艺研发新的催化剂浆液。
从逻辑角度分析，一方面适用于圆盘旋转电极的浆液不一定适用于膜电极，从另一方面，适用于圆盘旋转电极的催化剂也不一定适应于膜电极，所以在旋转电极和实用的膜电极之间常常有性能方面的不吻合。
加上制浆过程引入的新的因素(例如质子导体和溶剂)，实验结果的自洽不易定量分析，相应的工程优化也不易展开。基于原子层沉积法，研究人员可以制备仅有催化剂且无质子导体也无溶剂的电极，从而更准确地标定催化剂性能的物理极限。
质子导体和溶剂的影响也得以系统地研究，可参见”Bottom-Up Fabrication of Oxygen Reduction Electrodes with Atomic Layer Deposition for High-Power-Density PEMFCs”， Cell Report Physical Science (2021) 。
要点三：氢燃料电池需要什么样的催化剂？
当然是要稳定的催化剂，已经有很多合金催化剂被证明有较铂高的稳定性。那么从高能量密度的角度要什么样的催化剂呢？
作者通对比诸多电极系统后认为对催化剂比表面的研究应该较高单位活性的研究给出更高的优先级。当然，膜电极的高电流密度活性不仅仅和催化剂相关，与质子导体、催化剂层结构等密不可分。
把催化剂系统性地加载到电极上只是第一步，与电极的结构相结结合，电极的更高性能和更多应用还等着大家来发现。
【文章链接】
Direct Integration of Strained-Pt Catalysts into Proton-Exchange-Membrane Fuel Cells with Atomic Layer Deposition
https://doi.org/10.1002/adma.202007885
原文刊载于【科学材料站】公众号
本文版权归原作者所有，文章内容不代表平台观点或立场。如有关于文章内容、版权或其他问题请与我方联系，我方将在核实情况后对相关内容做删除或保留处理！