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本文为湖南大学电催化与电合成实验室所作，作者为湖南大学黄根博士，通讯作者为湖南大学陶李助理教授和王双印教授，文章发表于Angewandte Chemie International Edition （Angew. Chem.Int. Ed.2023, 62, e2022151）。
质子交换膜燃料电池 (PEMFCs)其具有清洁高效、比功率高、启动迅速、能够连续供电等技术特点，为解决能源与环境问题具有重要战略意义。PEMFCs在恒定输出功率下运行一般是非常稳定的，但其在启动/停止以及大电流等工作状况会导致PEMFCs运行时出现局域燃料缺乏以及输出延迟等现象，严重降低PEMFCs的性能和稳定性。在此期间阴极或者环境中渗入阳极的氧气会在阴极产生氢气-氧气扩散边界，使得阳极和阴极的电位同时升高，特别是阴极的电位甚至会高达1.5 --2.0V产生严重的碳腐蚀以及Pt纳米催化剂溶解聚集现象，增加膜电极内阻，大幅度减小阴极催化层内催化剂电化学活性比表面积，甚至会导致PEMFCs停止工作。为了解决上述关键问题，团队基于温度匹配策略在高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFCs）阳极中设计了高效的把-氢气缓冲层，氢气能够在燃料饥饿工况下释放出来，有效提升燃料电池耐燃料饥饿和抗电流反转的能力。
图1. X射线光电子能谱仪（岛津-KRATOS公司，AXIS SUPRA）
图2.氢气在Pd晶格中嵌入和脱出过程
通过原位XRD和TPD测试分析表明，氢原子在室温氢气环境下会自发进入Pd晶格间隙位点。随着温度的升高到106 ℃，Pd晶格间隙中亚表层的氢原子会逐渐释放出来。这一释放过程可以持续1小时左右。当温度降低时，氢原子会重新进入Pd晶格间隙位置。
图3.HT-PEMFCs耐燃料饥饿性能分析
通过在HT-PEMFCs催化层结构设计，发现Pd可以作为阳极氢气缓冲层，在低温时能自发储存氢气，而在HT-PEMFCs运行温度下又能原位持续释放氢气1小时以上，是相同情况下Pt的37倍，有效提升燃料电池耐燃料饥饿性能。
图4. 利用XPS分析耐燃料饥饿测试后电极材料价态结构的变化
进一步，团队通过准原位XPS和XRD模拟实验发现燃料饥饿后阳极催化层Pt的价态略有下降，而Pd价态升高，说明Pd吸收了燃料饥饿期间泄露到阳极的氧气，而燃料饥饿后阴极催化层Pt价态基本不变，说明Pt在HT-PEMFCs工况以及O2气氛中较难被进一步氧化。因此Pd可以作为HT-PEMFCs阳极氢气缓冲层和氧气吸收剂，提供额外的原位氢气，并在燃料饥饿期间吸收渗透的氧气，从而阴极催化层降解，大幅度提升HT-PEMFCS在工况下的耐久性。
本文结合HT-PEMFCs工况特点，通过利用Pd金属在不同温度下的氢气储存/释放特性，将Pd作为HT-PEMFCs阳极氢气的“缓冲池”，构筑了Pd-H缓冲层膜电极，在燃料饥饿工况下为电池持续供氢，有效提升燃料电池抗电流反转能力，大幅增强HT-PEMFC抗燃料饥饿性能和长时间稳定性。相关研究为设计开发燃料电池高性能膜电极具有重要意义。
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