PEMFC 催化剂碳载体

PEMFC 结构

理想催化剂载体的性质

良好的导电性 载体与催化剂有良好的相互作用 大比表面积 耐腐蚀 拥有适宜的介孔结构，利于传质 适宜的亲水 / 憎水特性以保证足够的容水能力

与良好的气体通道 容易回收催化剂

常见碳载体

碳载体

碳黑，如 Vulcan XC-72R ； Ketjen Black 等；

碳纳米管；

碳纳米线；

介孔碳：孔径在 2~50 纳米；

石墨烯。

碳载体—碳黑

优点：比表面积大，如 Vulcan XC-72R 为250m2/g; Ketjen Black 可达 1250m2/g ；便宜；容易获得。

缺点：含有较深的微孔 或凹陷使进入其中的催 化剂颗粒无法接触质子 导体而没有催化效果； 不够稳定，在酸性条件 下会被腐蚀（氧化）；

碳载体—碳纳米管 优点：比碳黑稳定。相比 Pt/C 催化剂， Pt/

CNTs 做催化剂电池性能有一定提高。

缺点：价格比碳黑高。[1]Ling Shi, Ru-Ping Liang and Jian-Ding Qiu ， Controllable deposition of platinum nanoparticles on polyaniline-functionalized carbon nanotubes ； J. Mater. Chem., 2012, 22, 17196–17203

操作条件： O2 饱和 1.0 M H2SO4 溶液，扫描速度 20 mV/ s

碳载体—碳纳米线（ CNF ） Pt/CNF 稳定性比 Pt/C 高， CNF 的直径可达 500nm ，长度可达几微米，中间无孔或孔径

很小。比碳黑导电性能好。 催化性能比 Pt/C 低或相当，主要因为 CNF 比表面积比碳黑小。

测试条件：电极面积5cm2 ， 2M的甲醇进料 3 cm3 min−1 ，氧气标准大气压下 100 cm3 min−1 ， Pt 载量 1mg/cm2

D. Sebastián, M.J. Lázaro; The influence of carbon nanofiber support properties on the oxygen reduction behavior in proton conducting electrolyte-based direct methanol fuel cells ;International Journal of Hydrogen Energy ;Volume 37, Issue 7, April 2012, Pages 6253–6260

碳载体—介孔碳 可按照结构分为有序介孔碳 (OMC) 和无序介孔碳 (DOMC) 。 有序介孔碳做载体表现出比碳黑更好的性能，因为介孔的存在为传质提供了

通道。Catalyst Pt size (nm)

Pt/CMK-3 7.6

Pt/CMK-3 NdTa0.5 8.1

Pt/CMK-3 NdTa2 7

Pt/CMK-3 NcTa0.5 23.3

Pt/CMK-3 NcTa2 22.3

Pt/C<comma> E-TEK 3

测试条件： Pt 载量均为 0.5mg/cm2 ，氢氧流量分别为 9,20ml/min ，相对湿度100% ，常温，常压。

L. Calvilloa, M. Gangeri ； Synthesis and performance of platinum supported on ordered mesoporous carbons as catalyst for PEM fuel cells: Effect of the surface chemistry of the support ； International Journal of Hydrogen Energy ； Volume 36, Issue 16, August 2011, Pages 9805–9814

碳载体—介孔碳 对于无序介孔碳，有实验证明其效果不佳

操作条件：氢氧气体流量分别为1.25,1.5ml/min ， Pt 载量0.25mg/cm2 ， 80℃ ，常压。

Bing Liu, Steve Creager ； Silica–sol-templated mesoporous carbon as catalyst support for polymer electrolyte membrane fuel cell applications ； Electrochimica Acta ； Volume 55, Issue 8, 1 March 2010, Pages 2721–2726

碳载体—石墨烯

特点：高电子迁移率，高比表面积，高电导率 经 N 参杂后，催化剂性能显著提高。a) Pt/N-HEG andb) b) Pt 3 Co/N-HEGc) 60℃ 下性能对比d) 稳定性测试操作条件：铂载量阳极

0.25mg/cm2 ，阴极0.4mg/cm2 ；电极面积 11.56 cm2 ；相对湿度90% ， Teledyne 燃料电池工作站。