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丰田第二代Mirai燃料电池催化剂表征

时间：2023-07-31 来源： 浏览：

丰田第二代Mirai燃料电池催化剂表征

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第二代Mirai燃料电池通过 载体结构创新 、 表面官能团优化 、 催化剂粒径控制 等措施实现催化剂活性大幅提升，有效降低了载量和成本。本文分享 丰田第二代Mirai燃料电池催化剂的表征工作 。

第二代Mirai燃料电池载体内外催化剂粒径情况
根据美国能源部(DOE)数据显示，丰田第一代Mirai燃料电池阴极催化剂载量 0.315 mgPt/cm2，阳极催化剂载量 0.05 mg/cm2。 因此，第一代Mirai燃料电池单堆催化剂Pt用量约为 33.76 g，电堆催化剂Pt载量约 0.30 g/kW。

图1 丰田Mirai燃料电池催化剂和载体结构(左：第一代Mirai，右边：第二代Mirai)
第二代Mirai通过阴极使用介孔碳载体，实现 80% 的Pt颗粒位于载体孔隙内，有效抑制了离聚物的吸附。由此，催化剂活性比第一代提升50%，载量(g/kW)比第一代Mirai降低58%。根据FC-cubic数据，第二代Mirai燃料电池阴极催化剂载量 0.17 mg Pt /cm2， 阳极催化剂载量 0.025  mg/cm2。因此，第二代Mirai燃料电池单堆催化剂Pt用量约为 17.57 g，电堆催化剂Pt载量约为 0.14 g/kW。以下分享第二代Mirai燃料电池催化剂的表征结果，供科研人员和工程师参考。

图2 第二代Mirai燃料电池用碳载体成像(新日铁)

图3 丰田Mirai燃料电池催化剂载量(g/kW)变化

下 图4和图5分别展示了丰田Mirai燃料电池催化剂TEM成像和统计粒径分布图。 可以看到第二代Mirai燃料电池催化剂 呈现 颗粒小 且均匀的 特点， 平均粒径由第一代的 5  nm降低到 4.1  nm，标准偏差也降低。

图4 丰田Mirai燃料电池催化剂TEM图像

图5 丰田Mirai燃料电池催化剂粒径测定

下图6展示了丰田Mirai燃料电池阴极催化层剖面的SEM。 显然，第二代Mirai介孔碳载体尺寸更大，细孔尺寸也随着更大。

图6 Mirai燃料电池阴极CCM剖面(左：第一代，右：第二代)

下图7展示了通过XAFS手段获取的Mirai燃料电池介孔碳载体孔隙内催化剂的衰减情况。

图7 Mirai燃料电池载体孔隙内催化剂衰减

下图8展示 了Mirai燃料电池介孔碳载体内外部催化剂 的粒径分布和比例情 况 。
图8 第二代Mirai燃料电池载体内外部催化剂的粒径分布和比例
下图9展示 了使用TEM手段获取的Mirai燃料电池催化剂表面离聚物 的覆盖状态 。

图9 第二代Mirai燃料电池催化剂表面离聚物的覆盖状态(TEM)

下图10展示了使用3D-TEM手段获取的Mirai燃料电池催化剂表面离聚物侵入载体孔隙情况。

图10 第二代Mirai燃料电池催化剂表面离聚物的侵入深度/填充率/中孔分布/连通性

下图11展示了Mirai燃料电池介孔碳载体载有/无离聚物时的孔径分布情况。

图11 第二代Mirai燃料电池介孔碳载体孔径分布(有/无离聚物)

下图12展示了Mirai燃料电池介孔碳载体的孔隙表征结果。

图12 第二代Mirai燃料电池介孔碳载体表征(有/无离聚物)

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