近日，Wiley出版社旗下的国际知名期刊《ChemSusChem》以封面文章的形式报道了天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室燃料电池课题组的最新研究成果。该课题组针对目前碱性燃料电池研究和应用过程中所面临的实际问题，设计并合成了一种可批量生产的、尺寸可控的Co基沸石咪唑有机框架-炭黑（ZIF-CB）复合材料衍生的氧还原（ORR）催化剂，并成功应用于碱性燃料电池（FAA-3碱性膜）。该催化剂具有梯级孔结构，具备良好电化学和机械性能，在单电池测试过程中表现出较高的电池性能，其峰值功率密度达到122.3 mW cm^-2，极限电流密度达到450 mA cm^-2。

多级孔结构Co-N-C催化层结构示意图

由于传统化石能源的使用导致环境问题日益加剧，社会对于新能源开发和利用的呼声日益高涨。其中燃料电池技术作为氢能利用的核心技术之一，近年来被广泛研究和推广。作为燃料电池的核心部件之一，膜电极的成本主要集中于价格高昂的贵金属催化剂（Pt/C）。为降低燃料电池生产成本，研究者不断探索和改进非贵金属催化剂，以取代Pt/C，从而促进燃料电池技术的发展和商业化应用。然而现有的Fe，Co，Mn等过渡金属催化剂的研究工作多集中于催化剂本征活性的改善，而对于催化层结构与发电性能之间的联系尚缺乏深入的研究。

ZIF-700 (a, b)和ZIF-CB-700 (c, d)膜电极断面和表面SEM图

针对这些问题，在燃料电池测试过程中，该团队通过在沸石咪唑框架材料中引入炭黑（CB）构筑了连续的电子传输通道。通过膜电极断面和表面典型区域的扫描电镜图（SEM）可知，没有引入CB的ZIF-700催化剂所制备的催化层平均厚度约为12.70 μm，约为ZIF-CB-700催化剂的1.7倍。这主要是由于大颗粒空心ZIF催化剂具有较小的密度。而CB的引入为ZIF的生长提供了较大的比表面积，分散了活性位，有利于改善催化剂的电学和机械性能。更重要的是，颗粒尺寸的减小使催化剂可以与离聚物充分混合，在制备催化层的过程中，形成均匀的三相界面（TPB）。同时，通过原子力显微镜（AFM）对不同催化剂所制备的催化层进行形貌和粘附力进行测试，可进一步验证SEM分析结果，即较小的颗粒可以形成均匀的TPB，为燃料电池阴极ORR反应提供更大的活性面积。

该研究进一步证实，催化剂在电池中性能的提升，离不开催化层的整体结构设计。通过对催化剂的调控，减小催化剂颗粒尺寸，提高活性位数量，构筑梯级孔结构，同时，在膜电极制备过程中提高催化剂和离聚物的均匀程度，获得更大的三相界面面积，对于燃料电池整体性能的提升具有重要的意义。该研究对于催化层和电池性能之间的构效关系进行了系统的分析，总结了催化剂颗粒大小和燃料电池催化层三相界面的相互影响规律，为燃料电池ORR催化剂的设计提供了指导。

该成果由天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室青年教师张俊锋和博士研究生祝伟康共同完成， Michael D. Guiver教授和内燃机燃烧学国家重点实验室尹燕副教授为共同通讯作者。研究成果题为Hierarchically porous Co-N-C cathode catalyst layers for anion exchange membrane fuel cells，

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.201901668

背景资料：《ChemSusChem》是Wiley出版社发行的一本化学领域的学术期刊，是化学和可持续性能源研究领域的高级跨学科研究杂志。该期刊的影响因子(IF)为7.802。