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Arumugam Manthiram综述:基于催化剂选择策略的可扩展无膜直接液体燃料电池

Arumugam Manthiram综述:基于催化剂选择策略的可扩展无膜直接液体燃料电池Arumugam Manthiram综述:基于催化剂选择策略的可扩展无膜直接液体燃料电池

第一作者:Xingwen Yu

通讯作者:Arumugam Manthiram

单位:德克萨斯大学奥斯汀分校

【引言】

近年来,对于可持续能源未来的迫切需求推动了燃料电池技术的进步。燃料电池被认为是运输和家庭供暖系统未来的关键能源技术之一。在各种类型的燃料电池中,基于低温质子交换膜(PEM)的直接液体燃料电池(DLFCs)作为用于便携式和固定式应用的有前途的能量发生系统已经吸引了相当大的关注。与气态氢燃料相比,液态燃料具有几个显着的优点,它们很容易地储存,运输和管理。而且,液体燃料具有比气体燃料高得多的质量能量密度。但DLFC技术正面临一系列 “瓶颈”限制。一般认为,Nafion膜的高成本和低电极反应动力学是阻碍低温PEM基DLFCs商业化的两大障碍。

目前的DLFC主要是基于PEMs并在弱酸性环境下工作。在酸性工作条件下,阳极反应产生的二氧化碳很容易从DLFC系统中去除。然而,在酸性介质中存在燃料氧化反应(FOR)和氧气还原反应(ORR)的动力学限制,这是DLFC的相对较低性能的主要原因。为了增强电极反应动力学,使DLFC在碱性条件下工作已被认为是有效的方法。近来的阴离子交换聚合物膜的发展振兴了使用OH-导电电解质膜的DLFCs的发展。已有相当多使用了碱性阴离子交换聚合物电解质膜的DLFC体系证明了这一点。然而,氢氧化物交换聚合物膜的开发尚未满足碱性DLFC技术的需求。

为了避免使用阴离子或阳离子交换膜,研究者已经尝试通过控制液体燃料和氧气(空气)的层流(不混合)来操作DLFC。如果很好地操纵燃料和空气基于微通道中两股层流流动,DLFC可以在没有离子交换膜的情况下工作。综合考虑偶联质量传输和电化学动力学,可以实现高性能无膜DLFC。然而,这种无膜方法理论上基于层流流体力学,这限制了DLFC装置的可扩展性。层流式无膜燃料电池只能制成毫米级的尺寸,限制了它们的实际应用。

鉴于上述问题,DLFC技术目前遇到主要问题包括:1)基于PEM的DLFC中的电极反应迟钝,催化剂成本高; 2)基于PEM的DLFC中的PEM的成本高; 3)缺乏用于开发碱性DLFCs的可靠可行的氢氧化物交换膜,4)层流无膜DLFCs的可扩展性限制。

本文介绍了最近提出的无膜DLFC的概念。通过采用廉价的阴极催化剂,通过催化剂选择策略实现无膜方法,该催化剂不仅对ORR表现出预期的活性,而且对于特定燃料的氧化反应表现出期望的惰性。催化剂选择性工作原理没有可扩展性限制问题,并有望突破DLFC技术目前存在的所有“瓶颈”。本文首先介绍了“催化剂选择性策略”的原理和独特性。然后,讨论了几种高度选择性的阴极催化剂的ORR活性和它们在FOR中的惰性。随后,总结了许多采用“催化剂选择性策略”开发的无膜DLFC系统及其性能。 最后,提出未来的策咯和方向。

【图文简介】

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图1. a)具有选择性活性的催化剂的示意图。 b)以催化剂选择性原理工作的无膜碱性直接液体燃料电池的示意图。

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图2. Pd/C和Pt/C电极在含有1.0mol·L-1 HCOOK的1.0mol·L-1 KOH溶液中,20 mV s-1扫速下的电解液中的循环伏安图。实验在环境温度下进行。

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图3.内部设计的无膜碱性直接液体燃料电池示意图。

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图4.在不同温度下工作的无膜碱性直接液体燃料电池的极化曲线和相应的功率图:a)直接甲醇燃料电池(DMFC),b)直接乙醇燃料电池(DEFC); c)直接乙二醇燃料电池(DEGFC); d)直接甘油燃料电池(DGFC)和e)直接甲酸燃料电池(DFFC)。

表:无膜碱性DLFC系统的规格和性能总结

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DEFC,直接乙醇燃料电池; DEGFC,直接乙二醇燃料电池; DFFC直接甲酸燃料电池; DGFC直接甘油燃料电池; DLFC,直接液体燃料电池; DMFC,直接甲醇燃料电池。

【小结】

最近提出的催化剂选择性策略为DLFC技术的进步提供了一条有前途的途径。这种新策略的核心思想是采用高度选择性的阴极催化剂,该催化剂仅催化ORR但不催化特定燃料的氧化反应。因此,在DLFC运行期间,燃料可以自由进入阴极而不需要电池中的离子膜。这种独特的催化剂选择策略在策略上避免使用昂贵的阴极催化剂和使用高成本或不切实际的离子聚合物膜。此外,催化剂选择性工作原理克服了传统层流无膜DLFC的可扩展性问题。通过适当管理电池中的催化剂选择性,许多廉价的可再生小分子有机物可以用作阳极燃料。这种无膜碱性DLFC的催化剂选择性方法能够为便携式运输和固定式应用开发廉价的能源生成系统。然而,将这个概念发展到转型平台还需要大量的研究和开发工作。未来的研究工作主要集中在低成本高选择性阴极催化剂的研究以及催化选择性机理的研究,开发用于特定液体燃料的低成本阳极催化剂,优化电池结构和工作条件以及解决二氧化碳的污染问题。

原文链接:Scalable Membraneless Direct Liquid Fuel Cells Based on a Catalyst-Selective Strategy(Energy Environ. Mater.,2018, DOI: 10.1002/eem2.120001)

供稿 | 深圳市清新电源研究院

部门 | 媒体信息中心科技情报部

撰稿人 | V

主编 | 张哲旭


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