【解读】JEC:碳热冲击合成用于直接硼氢燃料电池的高熵纳米氧化物阴极材料

学术   2024-10-25 08:15   中国台湾  

直接硼氢化物燃料电池(DBFCs)因其高理论能量密度和环境友好性受到了广泛关注。然而,DBFCs的商业化进程受到其阴极氧还原反应(ORR)催化剂性能的限制。传统的铂基催化剂虽然活性较高,但稳定性差、成本高,且易受硼氢化物中间产物的影响。因此,开发新型高效、稳定的非贵金属催化剂是推动DBFCs发展的关键。高熵氧化物(HEOs)作为一种新型材料,因其独特的高熵效应和多活性位点,在电催化领域展现出巨大潜力。本研究中,作者通过制备一系列碳载高熵氧化物催化剂,并将其应用于DBFCs的阴极,以期获得更好的电催化性能和稳定性。





文章简介


2024年9月7日,杭州电子科技大学秦海英教授及东南大学张晶博士等在《Journal of Energy Chemistry》期刊上发表了题为“Nano high-entropy oxide cathode with enhanced stability for direct borohydride fuel cells”的论文。本研究成功合成了一系列碳载高熵氧化物(HEOs/C),特别是(PtFeCoNiCu)O/C,采用碳热冲击(CTS)方法,用于直接硼氢化物燃料电池(DBFCs)的阴极催化剂。通过X射线光电子能谱、X射线吸收精细结构和透射电子显微镜对制备的催化剂微观结构进行了表征。所制备的(PtFeCoNiCu)O/C催化剂粒径在2到4纳米之间,在碱性环境中对氧还原反应表现出3.94个转移电子的特性,最小过氧化氢产额仅为2.6%。此外,该催化剂展现出61 mV dec−1的Tafel斜率,优于商业Pt/C催化剂的82 mV dec−1。经过40,000次循环伏安法(CV)测试后,(PtFeCoNiCu)O/C的半波电位仅正向偏移3 mV,极限电流密度没有明显下降。当将(PtFeCoNiCu)O/C用作DBFCs的阴极催化剂时,电池在60°C下达到最大功率密度441 mW cm−2,并在30°C下连续运行52小时后,电池电压仍能维持在约0.73 V。这些发现证实了HEO/C作为DBFCs阴极催化剂的潜力。

制备的(PtFeCoNiCu)O/C,粒径在2到4纳米之间,展现出卓越的催化稳定性。




图文导读


本研究通过碳热冲击(CTS)技术成功合成了一系列碳载高熵氧化物(HEOs/C)纳米粒子催化剂,包括(PtFeCoNiCu)O/C、(AuFeCoNiCu)O/C、(PdFeCoNiCu)O/C和(FeCoNiCu)O/C。这些催化剂的制备条件,如CTS的温度、升温速率和降温速率,均经过精心控制以优化催化剂的性能。

图1展示了所制备的(FeCoNiCu)O/C、(AuFeCoNiCu)O/C、(PdFeCoNiCu)O/C和(PtFeCoNiCu)O/C的X射线衍射(XRD)图谱。XRD结果显示,所有催化剂均显示出与Fe3O4相匹配的特征峰,表明它们具有类似的晶体结构。特别是,(PtFeCoNiCu)O/C和(PdFeCoNiCu)O/C的XRD图谱与面心立方(FCC)结构的Fe3O4相匹配,而(AuFeCoNiCu)O/C的XRD图谱除了Fe3O4的峰外,还显示出与金(Au)相关的特征峰。高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像和能量色散X射线光谱(EDX)元素映射图像进一步证实了这些催化剂的纳米粒子尺寸和元素分布,其中(PtFeCoNiCu)O/C展现出了高度分散的纳米粒子。

图2通过透射电子显微镜(TEM)、HAADF-STEM和高分辨率TEM(HRTEM)图像进一步展示了(PtFeCoNiCu)O/C、(PdFeCoNiCu)O/C、(AuFeCoNiCu)O/C和(FeCoNiCu)O/C的纳米结构。这些图像揭示了催化剂的粒径、形态和晶体结构,其中(PtFeCoNiCu)O/C具有最小的粒径(约2.3纳米),这有助于提供更高的比表面积和更多的活性位点。

图3展示了(PtFeCoNiCu)O/C和(AuFeCoNiCu)O/C的X射线吸收近边结构(XANES)光谱。XANES光谱分析表明,(PtFeCoNiCu)O/C中的Pt、Fe、Co、Ni和Cu元素主要以氧化态存在,而(AuFeCoNiCu)O/C中的Au元素则主要处于金属态。这些结果揭示了催化剂中金属元素的电子状态和配位环境,对理解催化剂的活性和稳定性具有重要意义。

图4展示了所制备催化剂的氧还原反应(ORR)电化学性能。循环伏安(CV)曲线、极化曲线、动力学电流密度、质量活性和比表面积活性的测试结果表明,(PtFeCoNiCu)O/C在碱性介质中展现出了优异的ORR活性,其半波电位(E1/2)和Tafel斜率均优于其他催化剂和商业Pt/C催化剂。此外,通过改变旋转速率进行的ORR极化曲线测试进一步证实了(PtFeCoNiCu)O/C的高活性和稳定性。

图5展示了催化剂在经过加速耐久性测试(ADT)后的电化学性能和形貌变化。测试结果表明,(PtFeCoNiCu)O/C在经过40,000次循环后仍保持了较小的粒子尺寸和高分散性,展现出了卓越的稳定性。而(FeCoNiCu)O/C在经过20,000次循环后粒子尺寸增大,活性表面面积减少,导致催化稳定性下降。

图6展示了使用不同催化剂的DBFCs的电池性能和稳定性测试结果。结果表明,使用(PtFeCoNiCu)O/C作为阴极催化剂的DBFC在60°C下实现了最大441 mW cm−2的功率密度,并在30°C下维持了约0.73 V的电压长达52小时,证明了其作为DBFC阴极催化剂的潜力和优越的长期稳定性。




展望总结


总之,本研究通过碳热冲击法制备了一系列碳载纳米高熵氧化物催化剂 (HEOs/C),并将其应用于直接硼氢燃料电池 (DBFC) 的阴极。研究发现,(PtFeCoNiCu)O/C 催化剂展现出优异的电催化活性和稳定性,在碱性环境中氧还原反应 (ORR) 中表现出 3.94 的转移电子数,过电位低至 61 mV dec-1,远优于商业 Pt/C 催化剂。此外,经过 40,000 次循环伏安测试后,(PtFeCoNiCu)O/C 催化剂的半波电位仍保持稳定,展现出优异的循环稳定性。将 (PtFeCoNiCu)O/C 催化剂应用于 DBFC 阴极,电池在 60°C 下实现了 441 mW cm-2 的最大功率密度,并在 30°C 下稳定运行 52 小时后仍保持 0.73 V 的电压。该研究结果证实,(PtFeCoNiCu)O/C 是一种极具潜力的 DBFC 阴极催化剂,为 DBFC 的发展和商业化应用提供了新的思路。












文献信息:Lei Zhang, Lingfeng Kuang, Lianke Zhang, Wen Chu, Haiying Qin, Jing Zhang, Junjing He, Hualiang Ni, Hongzhong Chi. Nano high-entropy oxide cathode with enhanced stability for direct borohydride fuel cells. Journal of Energy Chemistry, 2024. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2024.08.055.




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