[发明专利]用于原位拉曼光谱测试的质子交换膜燃料电池阴极结构及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，特别涉及质子交换膜燃料电池阴极催化剂的催化机理研究领域。

背景技术

质子交换膜燃料电池（PEMFC：Proton Exchange Membrane Fuel Cell）技术是电动汽车科技发展的关键技术之一，其阴极的氧还原反应是制约燃料电池系统发电性能的重要因素。目前通常使用贵金属铂作为低温燃料电池的阴极催化剂，但由于铂的资源匮乏和价格昂贵限制了低温燃料电池的实用化，因此开发高效低成本的非铂催化剂成为国内外燃料电池技术研究的热点和难点[1]。

采用原位测试技术实现对催化反应的实时研究是近年来催化领域的一个重要研究趋势，通过催化反应的研究，了解催化剂的化学状态、电子结构和几何因素与电化学反应活性间的关系，从而为合成新的催化剂指明方向，实现催化剂的分子设计；同时原位催化反应测试也为了解实际运行条件下PEMFC电极反应的过程和机理提供了证据，从而促进PEMFC性能的提高。例如，采用原位穆斯堡尔谱测试技术可以实时观测到在循环伏安测试过程中催化剂如何发生价态变化[2]，该技术也为证实催化剂催化活性衰退的原因提供了观测数据 [3]。再如，应用原位XAFS进行催化研究，在表面配位不饱和亚铁结构催化剂的构建、表征以及应用研究方面均有进展 [4~6]。

原位拉曼光谱应用于催化领域的研究始于70年代，并在负载型金属氧化物、分子筛的原位反应和吸附等研究中取得了丰富的成果[7~9]。相比其他原位测试技术，原位拉曼光谱信号能较好地反映物种在电极上的吸附行为, 对电催化效果受各因素的影响能迅速又较直观地反映出来，在众多的研究电催化方法中具有它的独到之处：1）能够提供催化剂本身以及表面上物种的结构信息，这是认识催化剂和催化反应最为重要的信息；2）原位拉曼光谱较容易实现原位条件下（高温、高压，复杂体系）的催化研究，而原位条件下对催化剂进行表征是目前催化剂表征的主要方向；3）原位拉曼光谱可以实现从水相到固相的实时研究,这是许多其它测试技术难以进行的。拉曼光谱在催化研究中的应用除了具有上述明显的特征和优点外，与其同属于分子光谱技术的红外光谱相比也具有十分突出的优点:1）红外光谱一般很难得到低波数（200cm^-1以下）的光谱，但拉曼光谱甚至可以得到几十个波数的光谱。而低波数光谱区反映催化剂结构信息，特别如分子筛的不同结构可在低波数光谱区显示出来；2）由于常用载体(如γ-A1₂O₃和SiO₂等)的拉曼散射截面很小，因此载体对表面负载物种的拉曼光谱的干扰很少；而大部分载体(如γ-A1₂O₃、TiO₂和SiO₂等)在低波数的红外吸收很强，在1000 cm^-1以下几乎不透过红外光；3）由于水的拉曼散射很弱，因此原位拉曼比红外更适合进行水相体系的研究。

由此可见，将原位拉曼技术应用于质子交换膜燃料电池阴极催化剂的催化反应研究对燃料电池催化剂的发展具有重要意义。可是，传统的质子交换膜燃料电池结构是由电催化剂/电极扩散层材料、离子交换膜和设有流场的双极板构成，其催化反应发生在电极和离子交换膜所组成的三相反应区——膜电极(MEA：Membrane Electrode Assembly)。传统燃料电池结构中的电极扩散层材料使得拉曼光谱的光斑无法聚焦到MEA的表面，从而无法实现燃料电池催化反应过程的原位拉曼测试表征。

参考文献

[1]M. Lefèvre, et al., Science, 2009, 324:71-74;

[2] A.L. Bouwkamp-Wijnoltz, et al., J. Phys. Chem. B, 2002, 106: 12993-13001;

[3]U.I. Kramm, et al., J. Am. Chem. Soc. 2014, 136: 978-985；

[4] Q. Fu, W.X. Li, et al., Science, 2010, 328(5982): 1141-1144;

[5]R.T. Mu, et al., J. Am. Chem. Soc., 2011, 133(6): 1978-1986;

[6] H.B. Zhang, et al., ChemSusChem, 2011, 4(7): 975-980;