《Sci Adv》：高性能燃料电池电极的一种3D打印独特电催化剂

来源：材料科学与工程

由氢气和燃料电池技术产生的电化学能源，被认为是全球努力使能源消耗远离碳基燃料的关键。虽然目前用于发电的电化学技术已证明其在某些应用（如绿色交通）中的可行性，但人们普遍认为，电化学材料的突破对于实现燃料电池等电化学能量转换系统的实际性能、耐久性和成本效益至关重要，如燃料电池。特别是，聚合物电解质膜燃料电池（PEMFCs）的动力学传递受到氧还原反应（ORR）缓慢动力学的限制。燃料电池电极的理想设计包括在传输介质和催化剂颗粒的相对比例上的微妙平衡，以及它们的分布和排列，以形成一个更有效的导电网络。其中，当用于聚合物电解质膜燃料电池时，无负载的Pt电催化剂表现出优异的电化学稳定性。然而，它们的极薄和低孔隙率导致比表面积不足和传质阻力大。

基于此，韩国科学技术院（KAIST）Yeon Sik Jung和韩国科学技术研究院（KIST）Jin Young Kim介绍了一类独特的三维 (3D) 定制的多尺度Pt纳米结构(PtNAs)，基于单个Pt纳米线构建块进行打印，其可用于高性能燃料电池电催化剂。与商业Pt/C相比，通过超高分辨率纳米转移打印制造的3D多尺度PtNA表现出优异的性能（最大功率密度提高43%）和高耐用性（5000 次循环仅损失5%的表面积）。相关论文以题为“Conformation-modulated three-dimensional electrocatalysts for high-performance fuel cell electrodes”发表在Science Advances。

论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/30/eabe9083

具体来说，这些独特3D Pt纳米结构基于纳米转移印刷 (nTP) 技术将2D阵列顺序堆叠来构建PtNAs。其中，nTP是一种强大的合成技术，用于获得各种3D构建块以及优化 3D 组件的几何形状和功能，这也是PtNAs明显优势所在。与商业Pt/C相比，它们具有较少曲折的传质路径和更高的活性材料利用率。发现性能最佳的PtNA在半电池中具有超过普通Pt/C催化剂1.88倍的比活性，并且在单电池中的最大功率密度比传统Pt/C催化剂高43%。此外，使用理论和实验分析对这些新设计的PtNA催化剂进行了探索，观察到的出色性能和耐久性的结果揭示了3D结构参数与催化性能之间的重要关系。

图1. 通过nTP对3D PtNAs 进行几何控制

图2. 制备的PtNAs TEM表征

图3. 制备的PtNAs XPS和XAFS表征

图4. 液态半电池测试

图5. 多尺度PtNA和单电池测试

图6. 基于计算流体动力学的数值模拟

总之，本文证明了多尺度PtNAs可以通过具有受控直径和间距的对齐Pt纳米线构建块的3D堆叠打印，制造为PEMFC的高性能电催化剂。电化学表明，单模式PtNA在ECSA 和传质方面并不理想，这表明设计和构建由密集和稀疏构建块组成的多尺度PtNA以最大化其电化学性能。结合理论和实验研究，还评估了催化剂的利用率和比有效表面积，以确定最佳结构。（文：Doublenine）