高分子膜燃料电池是一类很有发展前景的可提供可再生能源的装置,这主要得益于它的零排放、无毒性和较低的操作温度。在高分子膜燃料电池的部件中,电催化剂对于提高输出能量密度和/或工作寿命起到至关重要的作用。在过去的几十年中,科学家提出了很多办法和策略以解决电催化剂的活性和稳定性问题。尽管基于聚电解质的层层自组装制备膜电极的方法已经研究多年,但聚电解质在催化剂制备方面的作用仍需更多的关注。最近几年,已有很多人将聚电解质应用于催化剂设计制备,其中聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)的研究较为系统,因此,本文重点关注 PDDA,目的是总结出一些有用的信息,以便为该领域未来的研究发展提供一些参考。
本文收集了一些聚电解质在电催化剂纳米颗粒和载体材料两方面应用的文献,不仅讨论了聚电解质在催化剂颗粒粒径、形貌和组成方面的影响,还总结了其在修饰载体材料方面的应用。最后,本文还展望了聚电解质在催化剂设计制备领域的发展。通常,聚电解质有三个主要的特征：(1)在水溶液中容易解离为带相反电荷的长链结构和离子；(2)长链结构中带有独特的官能团结构；(3)当溶液浓度变化时其结构会发生转变。因此,聚电解质可以在电催化剂层面作为纳米反应器来控制金属纳米颗粒的生长,可功能化或掺杂纳米颗粒以及载体材料,可以保护纳米颗粒或载体不衰减,同时还可使其他物质带电,利用自组装方法制备有序的催化剂。然而,相关研究大都集中于 PDDA,因此,其他聚电解质还需要进一步的系统研究,以便了解聚电解质特征、制备的催化剂以及催化性能之间的关系。
PDDA在该领域的研究还需在如下几个方面继续进行。(1)聚电解质通常不是电子的良导体,其在催化剂表面的吸附会造成活性位的损失。尽管已经提出一些相对有效的方法,例如热处理、化学洗涤或光降解等,但仍需继续进行系统的研究和提出有效的方法。(2)先进的研究手段,如原位观测和模拟等还需进一步发展,尤其是研究聚电解质在催化剂形成过程中的功能和影响,这有利于构效关系的研究。(3)目前该领域制备的催化剂大都使用半电池或三电极体系来评价,但与实际的燃料电池装置有本质不同。由于复杂的工作条件,例如水热管理、不同组件的界面耦合等,聚电解质制备催化剂在膜电极中有可能不能表现出优良的性能。因此,上述催化剂的研究还应考虑燃料电池的实际运行情况。
Polymer membrane fuel cells represent important sustainable energy devices because their opera‐tion involves zero emissions and low temperatures and their components exhibit low toxicity. Among the various components of such cells, the electrocatalyst plays the vital role of enhancing the output power density and/or working lifetime. Over the past several decades, numerous strategies have been proposed to address the challenges of electrocatalyst activity and/or durability. Herein, we review the applications of polyelectrolytes in electrocatalysts, including the enhancement of both catalytic nanoparticles and support materials. The effects of polyelectrolytes with regard to controlling the size, composition and morphology of catalytic nanoparticles, as well as the modifica‐tion of support materials were summarized. In addition, the future possibilities for the research and development of polyelectrolytes in the field of catalyst design and synthesis are discussed.
参考文献
| [1] | A. Altamirano-Gutierrez;A.M. Fernandez;F.J. Rodriguez Varela.Preparation and characterization of Pt-CeO_2 and Pt-Pd electrocatalysts for the oxygen reduction reaction in the absence and presence of methanol in alkaline medium[J].International journal of hydrogen energy,201328(28):12657-12666. |
| [2] | Adina Morozan;Bruno Jousselme;Serge Palacin.Low-platinum and platinum-free catalysts for the oxygen reduction reaction at fuel cell cathodes[J].Energy & environmental science: EES,20114(4):1238-1254. |
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