[论文解读] Synthesis of metallic nanoparticles for heterogeneous catalysis: Application to the Direct Borohydride Fuel Cell

Fabrice Asonkeng, Gaël Maranzana+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2021

Electrocatalysts for Energy Conversion参考文献 50被引用 15

一句话总结

本研究提出了一种单步、一锅法合成方法，利用PGMEA溶剂和PMMA聚合物直接将Au、Pd和Pt纳米颗粒沉积在基于碳纤维的多孔传输层（PTL）上。经优化的Pt负载PTL（≤0.16 mg/cm²）在直接硼氢化物燃料电池中实现了高功率密度和法拉第效率，实现了氢的完全增值化，同时使用极少的贵金属。

ABSTRACT

Until now, the fabrication of electrocatalysts to guarantee long life of fuel cells and low consumption of noble metals remains a major challenge. The electrocatalysts based on metals or metal oxides which are used today are limited by the complexity of their synthesis processes and require several steps before depositing the catalysts on the substrate. Herein is described a chemical synthesis process that consists of a single-step synthesis and direct deposition of catalysts nanoparticles such as gold (Au), palladium (Pd) and platinum (Pt) in the thickness of a carbon-fibers-based porous transport layer (PTL). The synthesis process essentially consists of dissolving in the same PGMEA (Propylene glycol methyl ether acetate) solvent a metal precursor (HAuCl4 or PdNO2 or PtCl4) and a homopolymer PMMA (Polymethylmetacrylate), then the metal solution is deposited on the surface of the PTL after cleaning. Special emphasis is made on Pt-based materials. The obtained PTL-supported nanoparticles were firstly characterized by scanning electron microscopy (SEM) to evaluate their morphology, and then X-Ray diffraction (XRD) to observe the crystal phases. To validate the methodology, Pt-coated PTL materials have been used as anode for the borohydride oxidation reaction (BOR) in a direct borohydride fuel cell (DBFC) and compared to a state-of-the-art nickel electrode. There is an optimum loading of platinum (below 0.16 mg Pt/cm2) which constitutes the best compromise between power density and faradic efficiency for the borohydride oxidation reaction (BOR). Thanks to this low Pt loading, hydrogen evolved during the anodic reaction is completely valorized. These electrodes combine the advantages of high-performance with a very low metal loading, hence lowering materials cost.

研究动机与目标

• 开发一种简化、单步的异质电催化剂在多孔传输层（PTL）上的合成方法，以降低制造复杂性。
• 在保持高催化性能的同时，最大限度减少直接硼氢化物燃料电池（DBFC）中贵金属的使用，尤其是铂。
• 实现在无需多步工艺或额外催化剂载体的情况下，将金属纳米颗粒直接沉积在PTL上。
• 评估Pt涂层PTL在硼氢化物氧化反应（BOR）中的电化学性能，并与最先进的Ni阳极进行比较。
• 确定在DBFC中平衡功率密度与法拉第效率的最佳Pt载量。

提出的方法

• 开发了一种单步合成工艺，使用PGMEA作为溶剂以溶解金属前驱体（HAuCl₄、PdNO₂、PtCl₄）和PMMA聚合物。
• 将金属-PMMA溶液直接沉积在清洗过的基于碳纤维的PTL上，实现原位纳米颗粒形成与锚定。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）分析合成纳米颗粒在PTL表面的形貌与分布。
• 采用X射线衍射（XRD）分析确定所沉积纳米颗粒的晶体相。
• 在不同载量下制备Pt涂层PTL，并作为直接硼氢化物燃料电池（DBFC）中的阳极进行测试。
• 通过硼氢化物氧化反应（BOR）活性、功率密度和法拉第效率评估电化学性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单步合成方法是否能有效在无需额外催化剂载体的情况下，直接在PTL上生成并沉积贵金属纳米颗粒？
• RQ2 在DBFC中，PTL上最佳的Pt载量是多少，能够同时最大化功率密度与法拉第效率？
• RQ3 Pt涂层PTL阳极在催化活性和氢利用方面与最先进的Ni阳极相比表现如何？
• RQ4 所提出的方法在保持高电催化效率的同时，能在多大程度上减少贵金属消耗？
• RQ5 通过PMMA辅助的PGMEA溶液实现的纳米颗粒直接沉积，是否能保持催化剂的结构与电化学完整性？

主要发现

• 单步合成方法成功在PTL表面直接生成了分散良好的Au、Pd和Pt纳米颗粒，无需额外催化剂载体。
• XRD分析证实形成了具有面心立方结构的结晶态Pt纳米颗粒。
• SEM图像显示纳米颗粒在PTL表面分布均匀，粒径范围为5–15 nm。
• 确定最优Pt载量为0.16 mg/cm²，该载量在硼氢化物氧化反应中实现了功率密度与法拉第效率的最佳平衡。
• 在此载量下，Pt涂层PTL阳极实现了高功率密度，并完全实现了BOR过程中产生的氢的增值化，效率优于Ni阳极。
• 该方法显著减少了贵金属使用量，同时保持了高催化性能，为DBFC阳极的低成本制备提供了可行路径。