通过控制测试湿度来提高铂钴催化剂的使用寿命

背景

聚合物电解质燃料电池(PEMFC)技术已经进入商业化阶段，越来越多的汽车制造商宣布推出基于PEFC的轻型和重型汽车。然而，这种系统的耐用性和成本仍然是一个挑战。铂 (Pt) 或 Pt 合金用作 PEMFC 阴极侧氧还原反应 (ORR) 和阳极侧氢氧化反应的电催化剂。Pt 或 Pt 合金电催化剂作为纳米颗粒分散在炭黑载体上,具有较低催化剂负载量的膜电极组件 (MEA) 的耐用性较差，因此，需要迫切解决其催化剂耐用性问题，本研究通过调控测试入口气体的湿度来延缓PtCo催化剂的性能衰减。

实验

使用铂载量为30%，高比表面碳作为载体的铂钴催化剂（PtCo/HSC-a alloy catalyst），PtCo比例为3:1，PFSA为中长链树脂，离子当量为825 g mol⁻¹，I/C为0.9，阴极通过转印制备载量为0.10 mgPt cm⁻². 阳极催化剂使用10%的Pt/C催化剂，转印载量为0.025 mgPt cm^-2 ，I/C为0.6，反应区域为5cm²，质子膜厚度为12微米，阴阳极气体扩散层厚度为230微米。

图文解析

图1电化学测试：使用美国DOE测试标准，在4种不同湿度条件下对MEA进行加速应力测试（AST）3000圈前后的极化曲线（BOL和EOT）。由于0.95V的恒定电位上限和显著的水分含量，湿度越高，在给定电流密度下MEA功率密度损失越大，电化学活性面积损失越大。

图1.不同湿度下PtCo/C催化剂DOE工况下的Pt溶出耐久性测试

图2左图是测试初始铂钴催化剂粉末，在不同湿度条件下电压循环测试BOL和EOT后的HAADF STEM图像，右边是与其相应的EDS图像。Co原子的氧化引起了应变和配体效应的衰减，而CoO的溶解和偏析导致了ADT过程中Pt外层厚度的增加，使其ORR活性的降低。

图2.PtCo/C催化剂不同湿度下耐久性测试前后TEM图

图3在不同湿度条件下的BOL电压循环测试3000圈后EOT的Pt/Co纳米粒子尺寸分布图

图3. 不同湿度下PtCo/C催化剂耐久性测试纳米粒径分布图

图4使用STEM-EDS测试初始铂钴催化剂粉末，在不同湿度条件下电压循环测试BOL和EOT后的Pt/Co原子比例，可以很清楚的看到Co粒子的溶解以及Pt粒子的富集。

实验结论

本实验研究结果证明相对湿度在测试过程中可以作为一个可调参数以减轻PtCo催化剂比表面积的损失，以减轻PtCo催化剂的降解，从而延长燃料电池的使用寿命。

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