《Sci Adv》：高性能燃料電池電極的一種3D打印獨特電催化劑

來源：材料科學與工程

由氫氣和燃料電池技術產生的電化學能源，被認為是全球努力使能源消耗遠離碳基燃料的關鍵。雖然目前用于發(fā)電的電化學技術已證明其在某些應用（如綠色交通）中的可行性，但人們普遍認為，電化學材料的突破對于實現燃料電池等電化學能量轉換系統(tǒng)的實際性能、耐久性和成本效益至關重要，如燃料電池。特別是，聚合物電解質膜燃料電池（PEMFCs）的動力學傳遞受到氧還原反應（ORR）緩慢動力學的限制。燃料電池電極的理想設計包括在傳輸介質和催化劑顆粒的相對比例上的微妙平衡，以及它們的分布和排列，以形成一個更有效的導電網絡。其中，當用于聚合物電解質膜燃料電池時，無負載的Pt電催化劑表現出優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。然而，它們的極薄和低孔隙率導致比表面積不足和傳質阻力大。

基于此，韓國科學技術院（KAIST）Yeon Sik Jung和韓國科學技術研究院（KIST）Jin Young Kim介紹了一類獨特的三維 (3D) 定制的多尺度Pt納米結構(PtNAs)，基于單個Pt納米線構建塊進行打印，其可用于高性能燃料電池電催化劑。與商業(yè)Pt/C相比，通過超高分辨率納米轉移打印制造的3D多尺度PtNA表現出優(yōu)異的性能（最大功率密度提高43%）和高耐用性（5000 次循環(huán)僅損失5%的表面積）。相關論文以題為“Conformation-modulated three-dimensional electrocatalysts for high-performance fuel cell electrodes”發(fā)表在Science Advances。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/30/eabe9083

具體來說，這些獨特3D Pt納米結構基于納米轉移印刷 (nTP) 技術將2D陣列順序堆疊來構建PtNAs。其中，nTP是一種強大的合成技術，用于獲得各種3D構建塊以及優(yōu)化 3D 組件的幾何形狀和功能，這也是PtNAs明顯優(yōu)勢所在。與商業(yè)Pt/C相比，它們具有較少曲折的傳質路徑和更高的活性材料利用率。發(fā)現性能最佳的PtNA在半電池中具有超過普通Pt/C催化劑1.88倍的比活性，并且在單電池中的最大功率密度比傳統(tǒng)Pt/C催化劑高43%。此外，使用理論和實驗分析對這些新設計的PtNA催化劑進行了探索，觀察到的出色性能和耐久性的結果揭示了3D結構參數與催化性能之間的重要關系。

圖1. 通過nTP對3D PtNAs 進行幾何控制

圖2. 制備的PtNAs TEM表征

圖3. 制備的PtNAs XPS和XAFS表征

圖4. 液態(tài)半電池測試

圖5. 多尺度PtNA和單電池測試

圖6. 基于計算流體動力學的數值模擬

總之，本文證明了多尺度PtNAs可以通過具有受控直徑和間距的對齊Pt納米線構建塊的3D堆疊打印，制造為PEMFC的高性能電催化劑。電化學表明，單模式PtNA在ECSA 和傳質方面并不理想，這表明設計和構建由密集和稀疏構建塊組成的多尺度PtNA以最大化其電化學性能。結合理論和實驗研究，還評估了催化劑的利用率和比有效表面積，以確定最佳結構。（文：Doublenine）