從226屆ECS看高分子電解質燃料電池之陰極觸媒發展趨勢

刊登日期:2015/2/2
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杜孟修/工研院材化所

前言
The Electrochemical Society (ECS)研討會為電化學領域之指標性會議,第 226屆 ECS與第 7屆 Mexico Section of The Electrochemical Society (SMEQ)一同於2014年10月在墨西哥坎昆舉辦。此次會議探討超過 50個主題、共約 2300個技術發表。燃料電池為此次會議之一大主題,可進一步分為固態氧化物燃料電池( Solid oxide fuel cell, SOFC )及高分子電解質燃料電池( Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC),其中 PEMFC相關發表約 290篇,約佔總發表文章的 12.6%,可見 PEMFC在電化學領域之重要性。


圖一、PEMFC主題分類及比例

PEMFC之演講主題可細分成(1)觸媒( Catalyst )、(2)高分子電解質膜( Membrane )、(3)觸媒層( Catalyst layer, CL )/氣體擴散層( Gas diffusion layer, GDL )/模型推演( Modeling )、(4)電池( Cell )及系統( System )、(5)鹼性( Alkaline )、(6)其他(Others,包含海報)等六大部分。各部分比例如圖一所示,超過 25%係觸媒相關發表。此外,鹼性之燃料電池研究雖自成一細項,數量亦佔不到 15%,然其中約50%發表係觸媒應用於鹼性環境。由上述跡象顯示,觸媒仍是燃料電池的熱門研究項目,同時亦係燃料電池效能及耐久性之瓶頸所在。

陰極氧氣還原反應( Oxygen Reduction Reaction, ORR )速率遠低於陽極氫氣氧化反應( Hydrogen Oxidation Reaction, HOR )係 PEMFC 效能受限之主因,金屬空氣電池( Metal-air battery )亦具類似瓶頸,故急需一低成本且高活性之 ORR 觸媒。此外,本次研討會將ORR議題於另一大主題( Physical and Analytical Electrochemistry, Electrocatalysis, and Photoelectrochemistry )中另闢一分項,其中約有 40篇論文發表,可見開發高 ORR催化活性之觸媒係國際目前之重點研究項目。

ORR觸媒發展至今依其主要元素可分類成 5大類,如圖二所示,由左到右介紹如下:(1)鈣鈦礦( Perovskite ) ABO3結構,A以 La元素為主,B則大多為過渡金屬元素;(2) 4到6族元素以碳化物、氮化物或氧化物等結構為主;(3) Mn至 Zn第一列過渡金屬元素大多係尖晶石( Spinel )XY2O4結構或仿血紅素 M-Nx 結構;(4)貴金屬觸媒,本身即具良好催化活性,Pt 為 ORR觸媒之指標;(5)非金屬觸媒,主要結構係碳材摻雜B、N、P或S等異原子。單獨檢視此次研討會之 PEMFC 觸媒細項,貴金屬觸媒相關發表超過 70%,指出 Pt 等貴金屬雖然昂貴,但本身具高 ORR催化活性,使其仍為燃料電池觸媒之主流研究。其他非貴金屬( Non-Precious Metal, NPM )之觸媒雖具價格低廉或高穩定性等優勢,然 ORR催化活性及在酸性環境之耐受性普遍不如貴金屬觸媒為其主要瓶頸。

貴金屬觸媒
發表於本次研討會之貴金屬觸媒大多係以 Pt為主之合金,包含 PtPd、PtNi、PtCo 或 Pt 三元結構等,目的係提升觸媒 ORR活性並降低Pt使用量。丹麥的 I. E. L. Stephens研究團隊專攻貴金屬二元合金觸媒,並探討何種觸媒組成最適合催化4電子或2電子路徑 ORR。其研究方法主要先以理論計算篩選具最佳 ORR催化活性之二元合金觸媒,再以實驗佐證理論計算之結果,如圖三所示。此團隊研究結果指出,PtxY、Pt5Pd等觸媒將催化 4電子 ORR,適合 PEMFC使用。對於 2電子 ORR觸媒,則以 Hg 與 Ag、Pd 或 Pt 組成之合金具高催化活性


圖三、I. E. L. Stephens研究團隊之ORR觸媒相關發表

美國阿貢國家實驗室 V.R. Stamenkovic研究團隊則發表 Au/FePt3及Pt3Ni 組成之合金觸媒 ---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。 

★完整內容請見下方檔案。


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