用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
第一作者:Asad Mehmood
通讯作者:Anthony Kucernak
通讯单位:伦敦帝国理工学院

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
本文通讯作者Anthony Kucernak教授,Bramble Energy公司的联合创始人

Bramble Energy,成立于 2015 年,他们开发了一种新型聚合物电解质膜(PEM)燃料电池,可以利用现有的工业基础设施生产。将氢转化为电能的燃料电池对英国未来的能源结构越来越重要。PEM 燃料电池主要用于运输和便携式应用,对于运输应用的脱碳可能特别有价值,例如无法轻松使用电池供电的重型货车。与典型的燃料电池不同,Bramble 的 PCB 燃料电池 (PCBFC™) 可以在现有的印刷电路板 (PCB) 生产线上生产。2021 年,该公司生产了一款 1kW 氢燃料电池原型,旨在替代柴油发电机。


今日,Anthony Kucernak教授等人在Nature Catalysis发文介绍了最新的研究成果。通常单原子Fe位点密度限制在1-3 wt%,以避免聚集等生成不理想纳米颗粒。为此他们在初始合成过程中使用牺牲金属 (Zn) 预制碳-氮基体,然后将Fe交换到预形成的基体中,实现7wt%的Fe配位的单原子 Fe-N4 位点。通过原位亚硝酸盐剥离和原位CO化学吸附法测定的位点密度(SD)值为4.7×1019和 7.8 × 1019 位点g-1,在 0.5M H2SO4 电解液以及0.80V 电压下的周转频率(TOF)为 5.4 e位点1s1。并且该催化剂具有出色的质子交换膜燃料电池性能,在H2-O2 以及0.90ViR-free电压下的电流密度为41.3mAcm-2;在H2-空气以及0.80V下的电流密度为145mAcm-2

【主要内容】
质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 作为一种零排放发电系统在交通部门具有极大应用前景,其大规模生产和商业化在很大程度上取决于其成本竞争力。然而,使用Pt基催化剂显著抬升电池成本,其占到系统总成本的41%。氧还原反应(ORR)的缓慢动力学要求PEMFC阴极处的总Pt负载量约为80%。因此研究人员一直致力于开发不含Pt族金属(PGM-free)的催化剂来替代传统Pt基催化剂,其中过渡金属(Fe,Co)-NC催化剂具备最高的ORR活性,例如氮掺杂碳基质 (NC) 中N配体稳定的Fe离子形成的 Fe-Nx 配位催化剂最具使用潜力。因此大量研究致力于改善Fe-Nx 材料的酸性ORR活性,然而到目前为止活性和稳定性水平远低于取代 PGM 催化剂的性能标准。

研究采用多种合成策略调整 Fe-NC 催化剂结构以最大限度地提高原子分散Fe的丰度并增加它们的内在活性。然而,到目前为止大多数报道Fe-NCs的原子分散Fe含量集中在 0.5 到 3.0 wt% 之间,更高的Fe 含量会导致Fe 聚集为金属纳米颗粒、碳化铁以及氮化铁等。与Zn以及Mg相比,Fe在高温下更容易发生碳热还原形成金属颗粒。因此,将 Fe-N4 位点的形成步骤与高温热解解耦合对于克服低Fe位点密度 (SD) 的困境至关重要。Mehmood 等人研究证实植入于多孔NC基体的热稳定Mg-N4位点可与Fe进行低温金属化反应转化为 Fe-N4催化剂位点。

基于此,伦敦帝国理工学院Anthony Kucernak团队报道通过结合后热解形成 Fe-N4位点的优势以及沸石咪唑骨架 (ZIF) 材料中高密度的原子配位 Zn 位点,显著增加催化剂Fe-Nx SD,制备的 Fe-NC 催化剂的Fe-N4含量高达 7 wt%。基于原位亚硝酸盐剥离和原位CO化学吸附法,最优的催化剂实现SD为4.7×1019和 7.8 × 1019 位点g-1。在H2-O2环境中测试PEMFC 性能发现,最优的Fe-NC催化剂在0.90ViR-free电压下实现41.3mAcm-2的电流密度,高于目前的研究报道。
用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
图1计算Fe-NC 的位点密度以及对性能的影响。

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
图2. Fe-NC催化剂的结构表征。

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
图3. 催化剂活化前后Fe配位环境分析。

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
图4. 在 pH 5.2 电解液中测量Fe-NCs 的 SD 和 TOF。

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

图5. 在 pH0.3 电解质中的ORR 活性和动力学活性和SD的相关性分析。

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿
图6. 以 Fe-NC为阴极催化剂的PEMFC性能测试。

文献信息:
Asad Mehmood  , Mengjun Gong et al. High loading of single atomic iron sites in Fe–NC oxygen reduction catalysts for proton exchange membrane fuel cells. Nat Catal (2022).
https://doi.org/10.1038/s41929-022-00772-9

用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

何平/周豪慎教授Science Advances:全固态锂硫电池,541Wh/kg!


用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

SciHub的大兄弟来了,完全免费的期刊实时跟踪订阅工具——SciHook


用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

上海科技大学刘巍课题组:低迂曲度电极和原位聚合电解质用于全固态锂电池


用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

明胶碳网络助力实用型锂电硅负极,与LiCoO2组装的软包电池能量密度达537Wh/kg


用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

崔屹JACS:稳定无负极锌金属电池的共溶剂电解液工程


用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

能量密度1520 Wh/L,-20-100°C温度范围工作!原位交联塑料晶体电解质助力宽温、高能量密度锂金属电池


用铁替代铂催化剂,通讯作者创办的燃料电池公司已融资近3亿

本文由能源学人编辑liuqiwan发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处:https://nyxr-home.com/83095.html

参考文献: