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過程工程所開發出DMFC選擇性電催化劑

2026-04-11 11:34:135578

據中國科學院網站報道：直接甲醇燃料電池(DMFC)是將甲醇氧化反應的化學能直接轉化為電能的一種發電裝置，其工作原理非常簡單，主要由陰極、陽極、質子交換膜及雙極板等組成。工作時，甲醇在陽極上被催化氧化為CO₂和H₂O，同時產生6個電子和6個質子，其中質子經質子交換膜由陽極到達陰極，在催化劑作用下使陰極室的氧還原，生成H₂O。電子經外電路由陽極到達陰極，並通過外電路做功並構成電回路。DMFC結構簡單、方便靈活，工作時間隻取決於燃料攜帶量而不受限於電池的額定容量，近年來倍受產業界青睞。DMFC在發電過程中，無需經過卡諾循環，具有能量轉化效率高、低排放和無噪音等優點，另外還具有常溫使用、燃料攜帶補給方便、體積和重量比能量密度高等優勢，特別適合於作為小型可移動及便攜式電源，在國防、能源和通訊等領域有著潛在的廣闊應用前景。

基於選擇性電催化劑組裝的直接甲醇燃料電池單電池及其組成部分示意圖

目前製約DMFC商業化的一個主要障礙是“甲醇滲透問題”。這是因為DMFC普遍使用的Nafion係列全氟磺酸型質子交換膜具有較高的甲醇透過率，甲醇能夠從陽極穿過質子交換膜進入到陰極，而由於陰極一般使用Pt作催化劑，氧還原和甲醇氧化會同時發生，因此產生“混合電位”，yanzhongjiangdiranliaodexiaolvhedianchideshuchugonglv。erqiejiachunzaiyinjideyanghuayeshiqiliyonglvjiangdi。ciwai，kuosanguolaidejiachunjiqiyanghuadezhongjianchanwuhaihuishiyinjiPt催化劑中毒，影響Pt對氧還原的催化活性。由於甲醇滲透的存在，DMFC一般都使燃料甲醇濃度維持在4 M以下。但要和目前市場上占主流的鋰離子電池競爭，DMFC使用的甲醇濃度需提高到9 M以上以有效提升電池的能量密度。傳統的克服DMFC中甲醇滲透的策略包括改善燃料進料係統、提升質子膜性能、修(xiu)飾(shi)電(dian)池(chi)電(dian)極(ji)結(jie)構(gou)和(he)增(zeng)加(jia)水(shui)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)等(deng)，這(zhe)些(xie)策(ce)略(lve)一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上(shang)確(que)實(shi)改(gai)善(shan)了(le)電(dian)池(chi)的(de)操(cao)作(zuo)性(xing)能(neng)，但(dan)無(wu)疑(yi)使(shi)電(dian)池(chi)的(de)設(she)計(ji)趨(qu)於(yu)複(fu)雜(za)並(bing)增(zeng)加(jia)了(le)電(dian)池(chi)製(zhi)造(zao)的(de)成(cheng)本(ben)。

中zhong國guo科ke學xue院yuan過guo程cheng工gong程cheng研yan究jiu所suo多duo相xiang複fu雜za係xi統tong國guo家jia重zhong點dian實shi驗yan室shi研yan究jiu員yuan楊yang軍jun課ke題ti組zu的de研yan究jiu者zhe們men轉zhuan換huan研yan究jiu思si路lu，從cong製zhi備bei選xuan擇ze性xing催cui化hua劑ji的de角jiao度du考kao慮lv克ke服fuDMFC中的甲醇滲透問題，以期降低或擺脫對質子膜的依賴。選擇性催化劑意味著在DMFC的陰極或陽極使用的催化材料隻對陰極或陽極的反應有催化作用，對另一側的反應無活性或活性極低。

研究人員在深刻理解DMFC中(zhong)甲(jia)醇(chun)催(cui)化(hua)氧(yang)化(hua)和(he)氧(yang)氣(qi)催(cui)化(hua)還(hai)原(yuan)機(ji)理(li)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，設(she)計(ji)貴(gui)金(jin)屬(shu)基(ji)異(yi)質(zhi)結(jie)構(gou)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)，充(chong)分(fen)利(li)用(yong)異(yi)質(zhi)材(cai)料(liao)中(zhong)的(de)晶(jing)格(ge)應(ying)變(bian)效(xiao)應(ying)和(he)電(dian)子(zi)耦(ou)合(he)效(xiao)應(ying)調(tiao)控(kong)材(cai)料(liao)的(de)催(cui)化(hua)性(xing)能(neng)，不(bu)僅(jin)使(shi)材(cai)料(liao)具(ju)有(you)優(you)良(liang)的(de)催(cui)化(hua)活(huo)性(xing)，而(er)且(qie)使(shi)材(cai)料(liao)對(dui)DMFC中的甲醇氧化或氧氣還原具有很好的選擇性。具體的，他們使用具有核-殼-殼結構的三元納米複合材料Au@Ag₂S@Pt和具有核殼結構的Au@Pd納米材料分別作為DMFC的陽極和陰極電催化劑。對於前者，三元材料中的電子耦合效應使Pt原子的電子雲密度增加，能夠抑製一氧化碳(CO)和氧氣(O₂)分子在Pt原子上的吸附，使其具有優良甲醇氧化活性的同時具有較弱的氧化還原活性；而對於後者，由於晶格參數和電負性的差異，Au內核施加在超薄Pd殼層上的晶格拉伸效應和電子耦合效應很好地提升了Pd催化氧氣還原的活性，而又由於Pd在酸性介質中對甲醇氧化沒有活性，使這種核殼結構材料成為DMFC陰極選擇性催化劑合適的候選。研究者們研究了催化劑的製備、放大和表征，在利用無質子膜DMFC模型證實了催化劑選擇性的基礎上，成功組裝了DMFC單電池(如圖)。測試表明，在甲醇濃度為10 M時，電池輸出的功率密度為89.7 mW/cm²，遠高於近年來報道的使用其它策略實現高濃度甲醇下操作的DMFC的輸出功率密度。在甲醇濃度提升至15 M時，電池輸出功率略微下降，仍能維持82.7 mW/cm²的功率密度輸出。

上述相關研究得到了國家自然科學基金(No. 21376247, 21506225, 21573240)和中科院過程工程所介尺度研究中心(COM2015A001)的資助。該研究結果發表於美國科學促進會(AAAS)出版的國際期刊《科學進展》（Science Advances, 2017, 3: e1700580）。