蜂窝多孔结构——直接碳燃料电池电极优化新策略学术资讯

来源：材料科学前沿

蜜蜂辛勤劳作将它们收集的宝贵蜂蜜储存在蜂巢当中，这种精美设计的巢穴展现了它们令人惊叹的智慧，这种结构密合度最高，所需材料最简，可用空间最大。优越的性能让材料科学领域对这种架构青睐有加。

最近，北京理工大学化学与化工学院王振华教授在固体碳燃料电池（DCFC）中巧妙的应用了这种空间布局。DCFC是直接使用固体碳作为燃料的固体氧化物燃料电池（SOFC），通过电化学的方式可以直接将碳燃料中的化学能转化为电能并且具有极高的转化效率。与传统的以氢气或烷烃为燃料的SOFC不同，DCFC面临的主要问题来源于固体碳远大于气体分子的粒径从而导致的燃料传质困难，有限的碳/阳极活性界面大大限制了DCFC的输出性能。在本项研究中，研究者使用水滴模板法设计出了蜂窝状多孔的DCFC阳极，并且实现了孔道结构的可调控性。这种结构的阳极骨架对DCFC阳极侧的碳和一氧化碳燃料的电化学氧化过程均可以有效的增强，堪称为DCFC系统量身定制的阳极结构。

轻松的合成路线

与常见的结构优化策略中或复杂的工艺或严格的设备要求不同，这种结构的制备路线非常简单，采用无毒易获得的水滴作为模板，以氯仿作为溶剂混合有机高聚合物调节溶液粘度，在溶液中混合阳极粉体(钙钛矿材料(PrBa)0.95Fe1.4Cu0.4Nb0.2O5+δ)后，简单调控溶液蒸发过程中的环境参数，即可实现对阳极形貌的调节。

图:水滴模板法制备DCFC阳极的路线示意图

利用水滴凝结在溶液表面形成的“模板”以及溶液中高聚物本身所起到的造孔剂作用，烧结之后的阳极展现出表面大孔，内部均匀分布小孔的双孔道结构，调节溶液蒸干过程中环境的温度和相对湿度，便可以对阳极表面孔的大小和深度进行调控。

与碳燃料的完美匹配

研究者在DCFC体系下对构建的阳极架构进行了电化学性能的表征。与传统的固体氧化物燃料电池（SOFC）中采用的丝网印刷法制备电极的工艺不同，该研究所提出的水滴模板法路线可以针对所使用的碳燃料的粒径大小对阳极形貌进行调控。设计与碳燃料大小相匹配的阳极孔结构，有效的改善了DCFC系统中最困难的碳传质过程。

图a:传统的丝网印刷法制备的阳极应用于DCFC。图b:水滴模板法制备的与碳燃料匹配的阳极在本研究中，研究者使用粒径约为37μm的活性炭作为DCFC的燃料，通过对阳极溶液蒸发过程中参数的调节，研究者在温度为50℃，相对湿度为60%的条件下制备了表面孔道与碳燃料最佳匹配的阳极结构。这一匹配作用带来了DCFC输出性能的大幅提升。

DCFC单电池的放电输出I-V曲线和相应的电化学阻抗数据：图a，b:丝网印刷法制备的阳极;图c,b:水滴模板法制备的与碳燃料匹配的阳极

三种不同类型的单体电池（丝网印刷法制得的电池，水滴模板法制得的电池和对照组电池）的电化学阻抗数据展现了不同的趋势。研究者通过对三种电池EIS数据的Bode图进行分析，揭示了水滴模板法优化的阳极结构对阻抗谱图中对中频区起主要贡献的碳的电化学氧化过程和对低频区起主要贡献的CO扩散过程都有明显的改善。这主要得益于水滴模板法所构建的双孔道阳极结构。

图a：三种类型电池电化学阻抗数据的Bode图；图b：水滴模板法阳极侧的界面示意图

该研究的最大意义在于，通过简单易行的阳极形貌调控策略，可以实现阳极与所用碳燃料的匹配来高效优化电化学过程，为提高DCFC的输出性能提供了新的思路。

来源：材料科学最前沿材料科学前沿

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1NDc0NTY4OA==&mid=2247486396&idx=3&sn=0b288a3b6127db6e90503db7836e65db&chksm=e9c1c68bdeb64f9d5011310a841eeec57ace57753b99833d2df5b73dce1e948c56e6c0497bd3&scene=27#wechat_redirect

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn