宝马：通过N原子修饰碳载体催化剂来提高质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能

概述：

本文揭示并进一步理解不同N原子修饰通过化学改性的KB碳载体，研究燃料电池在工作条件下运行电压的下降，证明碳载体经氨处理后会改变其物理化学性质，增强与树脂间的相互作用，提高膜电极（MEA）的性能，但不是所有的N修饰碳载体催化剂制成的MEA性能都会提升，这主要取决于不同工艺参数和复杂物理化学特性之间的相互作用。

实验：

采用科琴黑EC600J作为载体，浓硝酸氧化处理后氨气高温处理实现氮掺杂，并基于多元醇胶体法制备Pt/C，进行微观结构分析，水吸附测试，TGA，XPS，TSEM；制备膜电极；燃料电池的组装；电化学测试与表征：对燃料电池进行测试、活化、恢复、极化曲线、CO stripping、极限电流、EIS测试。

结果与讨论

Table II对不同样品进行元素分析，KB是空白样，其它样品的目标N载量是1wt%，高浓度硝酸氧化会产生羰基、羧基、NO_X等官能团。经过氧化的KBox上存在氮的引入，经过热处理后氮含量进一步增加，会形成吡咯氮、吡啶氮、季氨氮、石墨化氮、NOX等官能团。同时由于热处理后含氧官能团的还原，样品中碳含量进一步增加。

基于XPS表征，分析解果如Table III，主要的官能团为吡啶氮和吡咯氮，石墨化氮的占比很小，变化趋势与处理温度有关，温度越高，吡啶氮含量越高，吡咯氮含量越低，反之亦然。NOx随着处理温度的升高而降低。

图1 碳结构的孔径分析，使用QSDFT计算四种样品微孔表面积、介孔表面积以及二者的比例和总和。图2四种不同载体的吸水性和脱水性测试。

膜电极性能结果表明，经过亲水改性，适当温度氮掺杂的Pt/KB 600在干湿两种工况下均表现出更高的性能，而Pt/KB 800低湿度下性能下降明显，基于质子传输阻力测得结果可以看出，处理温度越高质子传输阻力会逐渐增加，高温处理可能会导致离聚物分散性变差，进而影响质子传输，尤其是高湿度下树脂膨胀会造成传质阻力的增加，导致膜电极性能变差。

图3.湿工况、干工况膜电极性能，图4.质子传输阻力测定。

氧气传输阻力通过极限电流法测试，图4左侧湿度100%，右侧湿度30%。N-KB 800性能差，说明氮修饰官能团不一定会提高性能，不同的条件会影响离聚物在电极表面的分布。合适的改性条件可以调节碳载体的氧含量、润湿性、孔隙率，通过范德华力和酸碱相互作用调节三相界面，提升性能。

图4. 100%RH，30%RH下催化剂的总O₂传输阻力。

图5为离聚物分布与ECSA等其他电化学的相关性能。催化剂/催化剂层的参数（ECSA、氧质量传递阻力、质子路径）和催化剂/催化剂层的理化性质（离聚物分布、孔隙率、润湿性、Pt位置、催化动力学）。所以实际生产过程中没有一个是主导因素，而是要匹配不同参数的最优值，以优化性能。

图5. 电化学综合性能:ECSA，压力无关的质量传递电阻(R PI)，质子电阻率(ρ)和高电流密度下的电池电压(E)。

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