用于质子交换膜燃料电池催化剂结构研究的原位XAFS实验方法

doi:10.3866/PKU.WHXB201505252

物理化学学报 >> 2015, Vol. 31 >> Issue (8): 1609-1614.doi: 10.3866/PKU.WHXB201505252

用于质子交换膜燃料电池催化剂结构研究的原位XAFS实验方法

尚明丰¹,段佩权¹,赵天天²,唐文超²,林瑞²,黄宇营^1,*(),王建强^1,*

¹ 中国科学院上海应用物理研究所,上海光源,上海201204
² 同济大学汽车学院,上海201804

收稿日期:2015-02-12 发布日期:2015-08-12
通讯作者: 黄宇营,王建强 E-mail:huangyuying@sinap.ac.cn
基金资助:
国家重点基础研究发展规划项目(973)(2013CB933104);国家自然科学基金(91127001, 11079005)

In Situ XAFS Methods for Characterizing Catalyst Structure in Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Ming-Feng. SHANG¹,Pei-Quan. DUAN¹,Tian-Tian. ZHAO²,Wen-Chao. TANG²,Rui. LIN²,Yu-Ying. HUANG^1,*(),Jian-Qiang. WANG^1,*

¹ Shanghai Synchrotron Radiation Facility, Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, P. R. China
² School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, P. R. China

Received:2015-02-12 Published:2015-08-12
Contact: Yu-Ying. HUANG,Jian-Qiang. WANG E-mail:huangyuying@sinap.ac.cn
Supported by:
the National Key Basic Research Program (973) of China(2013CB933104);National Natural Science Foundationof China(91127001, 11079005)

摘要/Abstract

摘要：

依托上海光源的X射线吸收精细结构(XAFS)谱学线站(BL14W1),建立并发展了用于氢-氧质子交换膜燃料电池(PEMFC)原位XAFS实验的测试装置,以Pt/C纳米催化剂作为PEMFC的阴极催化剂, Pd/C作为燃料电池的阳极催化剂,采集在工作状态下的阴极催化剂的XAFS数据,同步监测燃料电池的电流-电压(J-V)曲线和功率密度曲线,观察到Pt/C催化剂在反应过程中不同电位下氧化态的变化,在高电位下Pt/C催化剂的表面存在较强的Pt-O键,降低了Pt/C催化剂的性能.本文同时也验证了我们所建立的实验装置和研究方法的可行性和可靠性.

关键词: XAFS, 原位, 质子交换膜燃料电池, 催化剂

Abstract:

We established and developed an in situ X-ray absorption fine structure (XAFS) experimental testing device for characterizing hydrogen-oxygen proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) on XAFS beamline BL14W1 at the Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF). XAFS data were collected under the operating state of the fuel cell with Pt/C and Pd/C as the cathode and anode catalysts, respectively, while the cell current-voltage (J-V) Curve and power density curves were monitored. Changes in the oxidation states of the Pt/C catalyst were observed during the reaction process at different potentials. Strong Pt-O bonds on the surfaces of the Pt were found to be induced at high potential; this may hinder the performance of Pt and reduce its oxygen reduction reaction (ORR) activity. The study also verified the reliability and feasibility of the herein established experimental apparatus and technique.

Key words: X-ray absorption fine structure, In situ, Proton exchange membrane fuel cell, Catalyst

尚明丰,段佩权,赵天天,唐文超,林瑞,黄宇营,王建强. 用于质子交换膜燃料电池催化剂结构研究的原位XAFS实验方法[J]. 物理化学学报, 2015, 31(8), 1609-1614. doi: 10.3866/PKU.WHXB201505252

Ming-Feng. SHANG,Pei-Quan. DUAN,Tian-Tian. ZHAO,Wen-Chao. TANG,Rui. LIN,Yu-Ying. HUANG,Jian-Qiang. WANG. In Situ XAFS Methods for Characterizing Catalyst Structure in Proton Exchange Membrane Fuel Cell[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31(8), 1609-1614. doi: 10.3866/PKU.WHXB201505252

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201505252

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2015/V31/I8/1609

参考文献

1	Fu, X. C.; Sheng, W. X.; Yao, T. Y. Physical Chemistry, Volume II; Higher Education Press: Beijing, 2006; pp 141-143.
1	傅献彩,沈文霞,姚天杨.物理化学.下册.北京:高等教育出版社, 2006: 141-143.
2	Ryan, O. H.; Whitney, C.; Fritz, B. P. Fuel Cell Fundamentals; translated by Wang, X. H.; Huang, H. Publishing House of Electronics Industry: Beijing, 2007; pp 6-7. Ryan, O. H.; Whitney. C.; Fritz, B. P.
2	燃料电池基础.王晓红,黄宏,译.北京:电子工业出版社, 2007: 6-7.
3	Roth C. ; Martz N. ; Buhrmester T. ; Scherer J. ; Fuess H. J. Phys. Chem. C 2002, 4 (15), 3555.
4	Stoupin S. ; Chung E. H. ; Chattopadhyay S. ; Segre C. U. ; Smotkin E. S. J. Phys. Chem. B 2006, 110 (20), 9932.
5	Scott F. J. ; Roth C. ; Ramaker D. E. J. Phys. Chem. C 2007, 111 (30), 11403.
6	Lin R. ; Cao C. H. ; Zhao T. T. ; Huang Z. ; Li B. J.Power Sources 2013, 223, 190.
7	Cao C. H. ; Lin R. ; Zhao T.T. ; Huang Z. ; Ma J. X. Acta Phys. -Chim. Sin 2013, 29, 1.
7	曹春晖; 林瑞; 赵天天; 黄真; 马建新. 物理化学学报, 2013, 29, 1.
8	Shao M. H. ; Adzic R. R. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 16563.
9	Smith M. C. ; Gilbert J. A. ; Mawdsley J. R. ; Seifert S. ; Myers D. J. J. Am. Chem. Soc 2008, 130 (26), 8112.
10	Shao M. H. ; Liu P. ; Adzic R. R. J. Am. Chem. Soc 2006, 128, 7408.
11	Teliska M. ; O'Grady W. E. ; Ramaker D. E. J. Phys. Chem. B 2005, 109 (16), 8076.
12	Maniguet S. ; Mathew R. J. ; Russell A. E. J. Phys. Chem. B 2000, 104 (9), 1998.
13	Zhang H. Y. ; Cao C. H. ; Zhao J. ; Lin R. ; Ma J. X. Chin. J. Catal 2012, 33, 222.
13	张海艳; 曹春晖; 赵健; 林瑞; 马建新. 催化学报, 2012, 33, 222.
14	Russell A. E. ; Maniguet S. ; Mathew R. J. ; Yao J. ; Roberts M. A. ; Thompsett D. J. Power Sources 2001, 96 (1), 226.
15	Viswanathan R. ; Hou G. ; Liu R. ; Bare S. R. ; Modica F. ; Mickelson G. ; Segre C. U. ; Leyarovska N. ; Smotkin E. S. J. Phys. Chem. B 2002, 106 (13), 3458.
16	Teliska M. ; Murthi V. S. ; Mukerjee S. ; Ramaker D. E. J. Phys. Chem. C 2007, 111 (26), 9267.
17	Thomas M. A. ; Badri S. ; Jamie S. L. ; Nagappan R. ; David E. B. ; David E. R. ; Sanjeev M. J. Phys. Chem. C 2010, 114 (2), 1028.
18	Fan Q. B. ; Pu C. ; Smotkin E. S. J. Electrochem. Soc 1996, 143 (10), 3053.
19	Viswanathan R. ; Liu R. ; Smotkin E. S. Rev. Sci. Instrum 2002, 73 (5), 2124.
20	Ian K. ; Dunesh K. ; Adam Y. ; Nicholas D. ; Smotkin E. S. J. Am. Chem. Soc 2010, 132, 17611.
21	Rice C. ; Tong Y. ; Oldfield E. ; Wieckowski A. ; Hahn F. ; Gloaguen F. ; Leger J. M. ; Lamy C. J. Phys. Chem. C 2000, 104, 5803.
22	Sanicharane S. ; Bo A. ; Sompalli B. ; Gurau B. ; Smotkin E. S. J. Electrochem. Soc 2002, 149 (5), A554.
23	Vijayaraghavan G. ; Gao L. ; Korzeniewski C. Langmuir 2003, 19, 2333.
24	Tkach I. ; Panchenko A. ; Kaz T. ; Gogel V. ; Friedrich K. A. ; Roduner E. Phys. Chem. Chem. Phys 2004, 6 (23), 5419.
25	Lebedeva N. P. ; Rodes A. ; Feliu J. M. ; Koper M. T. M. ; Santeen R. A. V. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 9863.
26	Kim C. S. ; Korzeniewski C. Anal. Chem 1997, 69 (13), 2349.
27	Shin J. ; Korzeniewski C. J. Phys. Chem 1995, 99 (11), 3419.
28	Milan M. J. ; Gianluigi A. B. ; Georgios D. P. ; Feihong N. ; Jelena M. J. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 8723.
29	Zawodzinski T. A. ; Derouin C. ; Radzinski S. ; Sherman R. J. ; Smith V. T. ; Springer T. E. ; Gottesfeld S. J. Electrochem. Soc 1993, 140 (4), 1041.
30	Giorgia G. ; Agnieszka W. ; Marco M. ; Luca O. ; Emiliano P. ; Sonia D. ; Arianna M. ; Roberto M. ; Andrea D. C. J. Phys. Chem. C 2012, 116 2012, 116, 12791.
31	Bridgid N. W. ; Bin F. ; Shan S. Y. ; Valeri P. ; Zhu P. Y. ; Rameshwori L. ; Chen Y. S. ; Jin L. ; Jun Y. ; Yang L. F. ; Shao M. H. ; Zhong C. J. Chem. Mater 2012, 24, 4283.
32	Shin-ichi N. ; Takashi A. ; Masakuni Y. ; Takuya O. ; Hiroyuki O. ; Takayuki I. ; Hajime K. ; Tomoya U. ; Mizuki T. ; Yasuhiro I. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 13094.

[1]	朱锐杰, 康磊磊, 李林, 潘晓丽, 王华, 苏杨, 李广亿, 程鸿魁, 李仁贵, 刘晓艳, 王爱琴. WO₃-TiO₂负载的Pt单原子催化剂光热协同催化丙烷和丙烯氧化[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303003 - .
[2]	冀连连, 王现鹏, 张莹莹, 申学礼, 薛娣, 王璐, 王滋, 王文冲, 黄丽珍, 迟力峰. 有机-有机界面效应的原位及非原位研究[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2304002 - .
[3]	赖可溱, 李丰彦, 李宁, 高旸钦, 戈磊. 金属-有机骨架衍生的Ni-CNT/ZnIn₂S₄异质结用于光催化产氢及其电荷转移途径的确定[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2304018 - .
[4]	罗耀武, 王定胜. 单原子催化剂电子结构调控实现高效多相催化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212020 -0 .
[5]	夏伟锋, 季成宇, 王锐, 裘式纶, 方千荣. 基于四硫富瓦烯的无金属共价有机框架材料用于高效电催化析氧反应[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212057 -0 .
[6]	何展军, 黄敏, 林铁军, 钟良枢. 光热催化甲烷干重整研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212060 -0 .
[7]	宋千伟, 何观朝, 费慧龙. 基于单原子催化剂的光热催化转化：原理和应用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212038 -0 .
[8]	侯玉翠, 何卓森, 任树行, 吴卫泽. 均相催化剂催化氧气氧化生物质制备甲酸[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212065 -0 .
[9]	李萌, 杨甫林, 常进法, Schechter Alex, 冯立纲. MoP-NC纳米球负载Pt纳米粒子用于高效甲醇电解[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2301005 -0 .
[10]	于彦会, 饶鹏, 封苏阳, 陈民, 邓培林, 李静, 苗政培, 康振烨, 沈义俊, 田新龙. 钴原子团簇用于高效氧还原反应[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210039 -0 .
[11]	兰畅, 楚宇逸, 王烁, 刘长鹏, 葛君杰, 邢巍. 质子交换膜燃料电池阴极非贵金属M-N_x/C型氧还原催化剂研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210036 -0 .
[12]	薛国勇, 李静, 陈俊超, 陈代前, 胡晨吉, 唐凌飞, 陈博文, 易若玮, 沈炎宾, 陈立桅. 单离子聚合物快离子导体[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2205012 -0 .
[13]	沈姗姗, 刘晓晖, 郭勇, 王艳芹. Fe的原位掺杂对Pt/Silicalite-1催化丙烷脱氢反应性能的提升作用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2209043 -0 .
[14]	王吉超, 乔秀, 史维娜, 贺景, 陈军, 张万庆. 多面体状Cu₂O修饰片状BiOI的S型异质结构筑及光催化水蒸气中CO₂转化性能研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(6): 2210003 - .
[15]	王晶晶, 曹贵强, 段瑞贤, 李向阳, 李喜飞. 金属单原子催化剂增强硫正极动力学的研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(5): 2212005 -0 .

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In Situ XAFS Methods for Characterizing Catalyst Structure in Proton Exchange Membrane Fuel Cell

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