Advanced Functional Materials:注入即运行——基于纳米级高熵合金和尖晶石催化剂的固态柔性乙醇燃料电池

近年来,柔性、轻便、可穿戴电子设备受到了广泛关注,其中,乙醇燃料电池具有较高的能量密度、低成本和环保性受到广泛关注。与传统的质子交换膜、阴离子交换膜液态燃料电池相比,开发具有柔性、室温下能够高效稳定工作的固态乙醇燃料电池具有重要研究意义。然而,乙醇渗透引起的催化剂中毒、聚电解质失败和电池工作寿命短仍是固态乙醇燃料电池面临的主要问题,限制其实际应用。

提高乙醇燃料电池性能的主要途径之一是开发阳极乙醇氧化和阴极氧还原的高活性电催化剂。研究证明,在碱性电解液中,钯金属对乙醇氧化反应的催化活性甚至高于铂。将Pd与其他非贵金属合金化,可以有效地降低贵金属的原子比。为了进一步降低贵金属Pd的含量并调控其催化活性,将Pd与多种非贵金属组合是一个很有效的策略。多种元素均匀混合将增加系统的熵,同时提供由熵驱动、热力学和动力学相对稳定的结构,可在恶劣环境下稳定工作。这种由5种或以上金属组成,各金属具有相似原子比的合金称为高熵合金。高熵合金催化剂的设计和性能控制为电催化领域提供了大量探索空间。

固态乙醇燃料电池结构示意图

哈尔滨工业大学(深圳)材料学院材料基因与大数据研究院邱华军课题组应用脱合金法制备纳米多孔高熵合金(AlPdNiCuMo)和尖晶石纳米片((AlMnCo)3O4)作为固态柔性乙醇燃料电池的催化剂。本工作中,材料基因与大数据团队成员通过脱合金法制备了纳米多孔高熵合金阳极催化剂和多组分的尖晶石阴极催化剂,并设计组装了具有高度柔性、能够稳定持久工作的固态乙醇燃料电池(图1所示)。

在阳极侧,制备的含钯元素的纳米高熵合金具有以下特点:(1)都具有面心立方晶体结构;(2)微观形貌具备一级和二级孔,其中二级纳米孔为2~10nm;(3)所有金属元素相对分布均匀;(4)具备一定的乙醇氧化性能。其中,纳米多孔AlPdNiCuMo高熵合金的电化学活性面积为88.53 m2g-1Pd,对乙醇氧化反应的质量活性达2.67 A mg-1Pd。在阴极侧,制备了不含贵金属的尖晶石(AlMnCo)3O4纳米片,除了具有能够与商用Pt/C媲美的氧还原性能外,还对高浓度乙醇具有耐受性。(图2)

利用这两种催化剂组装的固态乙醇燃料电池,能够在仅3ml乙醇溶液条件下提供13.63 mWh cm-2的超高面积能量密度,连续工作超过110小时。其柔性允许电池弯折180度并保持95%的电压,连续弯折超过700次电压降低仅20%。此外,该固态乙醇燃料电池还具有注入即运行功能(将燃料注入电池即可工作,图3)。

最后,他们指出,虽然本研究在制备固态乙醇燃料电池方面已取得实质性进展,但电池的电压和功率仍然有待提高。另外,纳米高熵材料在催化剂的设计,元素的相互影响方面,活性位点的确定等方面依然有大量研究空间,在电催化、传感器、柔性电子等领域拥有巨大应用潜力。

本工作发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202007129),文章的第一作者是哈尔滨工业大学(深圳)材料学院硕士研究生李诗吟,共同通讯作者为邱华军副教授和黄燕教授。