科学家设计新型电化学分析法，可实时分析催化剂降解机制，助力攻克燃料电池快速衰退问题
基于此，澳大利亚新南威尔士大学赵川教授团队开发了一种简便易操作的电化学分析方法，研究非贵金属催化剂在燃料电池运行过程中的稳定性和耐久性。
通过综合分析电化学数据和物理表征，该团队首次揭示了Fe-NC催化剂在氢燃料电池运行中的降解机制。
从长远来看，该项研究可以帮助研究人员设计和合成更加稳定的非贵金属催化剂，并有助于降低氢燃料电池的成本，从而为绿色交通和可持续能源生产行业做出贡献。
审稿专家对论文的评价是：“本研究中，刘等人采用电化学方法，实时分析了质子交换膜燃料电池中Fe-NC催化剂在高负荷下的降解机理，清晰地揭示了降解机理。所采用的研究方法具有创新性，是一项非常重要的研究。”
图丨相关论文（来源：&）
近日，相关论文《燃料电池中铁的降解机理实时分析》在《 》上发表[1]。
新南威尔士大学博士生刘诗阳和博士后研究员 Meyer为该论文的共同第一作者，赵川教授为通讯作者。
揭示氢燃料电池中非贵金属催化剂的降解机理
由于铂材料价格昂贵、资源稀缺，研究人员一直在寻找低成本的非铂基催化剂来替代它。因此设计和生产铂基催化剂的替代品至关重要。理想的非贵金属催化剂需要具备以下特点：成本低、活性高、稳定性高、合成途径简便直接、可大规模制备。
近年来，以Fe-NC为代表的一类非贵金属单原子催化剂在初始活性方面逐渐缩小与传统铂基催化剂的差距，但该领域仍存在催化剂稳定性、大规模生产、实验条件限制等多重挑战。
稳定性方面，虽然近年来非贵金属催化剂的初始活性得到了很大的提高，但其长期稳定性，特别是在真实燃料电池工况下的稳定性距离实际应用还有很大距离。而且催化剂的初始活性越高，其衰减速度也越快。
在规模化生产方面，以最具代表性的基于金属有机骨架材料的Fe-NC催化剂为例，其收率和产量并不理想，而简单的放大实验往往导致催化剂性能的下降。目前大多数高性能非贵金属催化剂仍处于实验室研究阶段。
在实验条件限制方面，很多研究团队对于ORR催化剂的电化学表征还停留在旋转环盘电极（半电池）阶段，而燃料电池的实际运行环境与旋转环盘电极测试还有很大的差距。
因此，推动整电池（单电池）的表征工作势在必行，同时一些高端表征资源（如原位X射线吸收光谱）的匮乏也限制了研究人员对催化剂进行深入细致的分析。
图丨带有阳极和阴极的氢燃料电池示意图（绘图： Meyer，来源：该团队）
Fe-NC在燃料电池运行条件下存在快速降解的问题。了解氢燃料电池中非贵金属催化剂的降解机理非常具有挑战性。通常，研究人员需要非常复杂的原位表征方法，例如原位X射线吸收光谱和原位穆斯堡尔光谱，这些方法很困难且不经常可用。
传统电化学测试非贵金属催化剂耐久性的方法是施加恒定的电压或电流一定时间（通常几十到几百小时），一般直到丧失80%的性能。这种方法仅能指示催化剂表面的降解速度，而不能提供任何有关催化剂性能降解的原因和机理的信息。
利用团队开发的新方法，无需借助外部表征手段，实时监测催化剂中的碳腐蚀过程，通过阻抗分析发现碳基底的腐蚀使得质子的转移更加困难，阻碍了反应中间体向活性位点的转移，进一步降低了单电池的性能。
而且，新的电化学表征方法可以准确了解燃料电池运行时电极内部的实时结构变化，而无需拆卸进行表征。
（来源： ＆ ）
刘诗阳的研究重点是氢燃料电池中的ORR催化剂，特别是非贵金属催化剂。他说：“经过分析，我们意识到以Fe-NC为阴极催化剂的燃料电池开始运行后，Fe活性位点的失活在几个小时之内（
利用循环伏安法和活性位点监测可以加深对这种衰减机制的理解。这两种技术的同时使用使研究人员能够获得不同时间点活性位点变化和碳腐蚀程度的信息。此外，他们还利用阻抗谱研究了三相界面的变化，发现三相界面在反应过程中不断减小。
事实上，部分Fe脱金属和碳腐蚀不仅造成75％的活性位点损失，而且严重抑制催化层中电子和质子的传输，降低剩余活性位点的催化效率。
铁脱金属和碳腐蚀是导致性能损失的主要因素，而随后的离子聚合物不可逆脱水、质子传输减少、电极界面塌陷和ORR速率降低进一步降低了阴极催化剂层的效率，因为它们阻止了在剩余催化位点形成功能良好的三相边界。
为解决燃料电池不稳定性提供新思路
赵川教授说：“这项研究确定了燃料电池运行过程中Fe-NC催化剂的降解机理，为理解燃料电池中Fe-NC催化剂的快速衰减提供了新的视角。”
同时，本研究还建立了燃料电池运行稳定性试验中非贵金属催化剂表征的电化学标准，将膜电极的物理表征与电化学研究结合起来，为其降解机理提供重要见解。
本研究中的新方法主要是电化学表征方法，只需要单细胞测试系统和电化学工作站，无需额外花费，是一种可以被其他研究者“抓来用去”的新方法和新的数据解释方式。
“工业界和学术界的研究人员都可以利用这种不同于传统分析方法的技术来分析他们制备的催化剂，加深对他们生产的催化剂的了解，从而指导催化剂的进一步设计和合成。” Meyer说。