第一作者：John C. Douglin, José A. Zamora Zeledón

通讯作者：Michaela Burke Stevens, Thomas F. Jaramillo & Dario R. Dekel

通讯单位：以色列理工学院，美国SLAC国家加速器实验室

【研究亮点】

催化剂从基础研究到高性能设备的快速转化可以促进阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）的开发和商业化。本文介绍了将共物理气相沉积合成的无离聚物超低负载银-钯合金电催化剂阴极转化成高性能设备的方法。无离聚物阴极可进行系统的H2-O2 AEMFC实验，同时展示出与三电极电池相当的活性趋势。此外，基于Ag10Pd90的AEMFC达到了~1 W cm-2geo和~10 W mg-1 PGM Cathode的峰值功率密度，满足美国能源部的铂族金属（PGM）负载和成本目标。

【主要内容】

将氢气和氧气转化为电能的阴离子交换膜燃料电池是一项很有前景的技术，因为其碱性环境可以改善氧还原反应动力学（ORR）以及催化剂稳定性。尽管需要开发铂族金属燃料电池催化剂的替代品，但通常仍需要解决长期设备耐用性问题。此外，与最先进的质子交换膜燃料电池 (PEMFC)相比，当前的高性能AEMFC依赖的总PGM负载量高出约2.7-5倍。此外，催化剂材料的ORR活性通常以旋转圆盘电极(RDE)为基准，可以分析基本的内在材料-活性关系。在具有明确平面/光滑工作电极的液态三电极电池中进行RDE测试简单、经济高效，并且需要很少的催化剂材料，而燃料电池通常需要更大量的催化剂和更复杂的多组件设置，给系统地确定催化剂的内在特性带来了重大挑战。开发减少实验变量的功能性燃料电池系统将有助于将基础研究与高性能设备联系起来。

鉴于此，以色列理工学院Bartosz A. Grzybowski教授联合美国SLAC国家加速器实验室Michaela Burke Stevens和Thomas F. Jaramillo教授等人设计和开发了超低负载、稳定、无Pt的ORR催化剂，并将其集成到AEMFC中，作为实现高性能的无离聚物物理气相沉积阴极。通过将之前开发的无离聚物物理气相沉积Ag1-xPdx薄膜集成到阴极气体扩散电极(GDE)中，来弥补RDE和燃料电池配置之间的差距。作者发现采用Ag1-xPdx合金催化剂的无离聚物GDE表现出的性能趋势很大程度上遵循在RDE中报告的趋势。本文报告的Ag10Pd90电池可产生最高峰值功率（?1?W cm-2geo在0.45?Vcell）和限制电流密度（4,432?mA cm-2geo在0.1?Vcell）。通过Ag10Pd90阴极的质量优化（低至2μg cm-2geo）产生234?W mg-1 PGM的阴极PGM负载比功率，同时在300mA cm-2geo下稳定运行超过110?h。通过进一步的阳极优化，研究人员证明了PGM总负载量符合美国能源部PGM目标(≤125?μg cm-2geo)以及催化剂总成本（5.62美元）低于美国能源部的最终成本目标（30美元）。这项工作提供了一个概念验证平台，用于将催化剂材料从RDE的基础研究快速转化为燃料电池等多方面的电化学装置，并强调PVD作为一种制造高性能超低贵金属催化剂负载系统的方法。

Fig. 1 | Representative SEM-EDS images of a Ag10Pd90 GDE synthesized by PVD.

Fig. 2 | AEMFC performance with PVD-synthesized ionomerless Ag1-xPdx cathodes.

Fig. 3 | Comparisons between AEMFC and RDE performance trends.

Fig. 4 | Optimized AEMFCs with PVD-synthesized ionomerless Ag10Pd90 cathodes.

Fig. 5 | Comparison of performance and cost.

【文献信息】

Douglin, J.C., Zamora Zeledón, J.A., Kreider, M.E. et al. High-performance ionomerless cathode anion-exchange membrane fuel cells with ultra-low-loading Ag–Pd alloy electrocatalysts. Nat Energy (2023).