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MoS2-rGO hybrid architecture as durable support for cathode catalyst in proton exchange membrane fuel cells

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Chinese Journal of Catalysis 2019年第8期40卷 1160-1167页

作者： Muhammad Tuoqeer Anwar Xiaohui Yan Muhammad Rehman Asghar Naveed Husnain shuiyun shen Liuxuan Luo Xiaojing Cheng Guanghua Wei Junliang Zhang Institute of Fuel Cells School of Mechanical EngineeringMOE Key Laboratory of Power and Machinery EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai 200240China COMSATS University Islamabad (Sahiwal Campus) Off G.T. Rd.SahiwalPunjab 57000Pakistan Institute of Thermal Energy Engineering School of Mechanical EngineeringShanghai Jiao Tong UniversityShanghai 200240China SJTU-ParisTech Elite Institute of Technology Shanghai Jiao Tong UniversityShanghai 200240China

Carbon black is utilized as a conventional electrocatalyst support material for proton exchange membrane fuel cells. However, this support is prone to corrosion under oxidative and harsh environments, thus limiting the durability of the fuel cells. Meanwhile, carbon corrosion would also weaken the linkage between Pt and the support material, which causes Pt agglomeration, and consequently, deterioration of the cell performance. To overcome the drawbacks of a Pt/C electrocatalyst, a hybrid support material comprising molybdenum disulfide and reduced graphene oxide is proposed and synthesized in this study to exploit the graphitic nature of graphene and the availability of the exposed edges of MoS2. TEM results show the uniform dispersion of Pt nanoparticles over the MoS2-rGO surface. Electrochemical measurements indicate higher ECSA retention and better ORR activity after 10000 potential cycles for Pt/MoS2-rGO as compared to Pt/C, demonstrating the improved durability for this hybrid support material.

关键词： Fuel cell Hybrid catalyst support Carbon corrosion Supported catalyst Pt-based electrocatalyst

质子交换膜燃料电池超低铂化过程中物质传输的分析与展望

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科学通报 2021年第33期66卷 4240-4255页

作者：程晓静沈水云王超闫晓晖章俊良上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所上海200240 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

居高不下的成本已成为车用质子交换膜燃料电池商业化的最大阻碍.其中,用于阴极氧还原反应的Pt基贵金属催化剂的成本占比最高,降低Pt用量是控制燃料电池成本的关键.然而,一方面,Pt载量的降低会引起阴极氧气传质阻力明显加大,包括催化层... 详细信息

居高不下的成本已成为车用质子交换膜燃料电池商业化的最大阻碍.其中,用于阴极氧还原反应的Pt基贵金属催化剂的成本占比最高,降低Pt用量是控制燃料电池成本的关键.然而,一方面,Pt载量的降低会引起阴极氧气传质阻力明显加大,包括催化层纳米孔道内氧气扩散引起的体相传质阻力和氧气跨越Pt表面超薄离子树脂薄膜导致的局域传质阻力,从而引起电池性能的急剧恶化.另一方面,超低Pt膜电极中的质子传导问题也会降低电池的性能.这是由于离子树脂薄膜的限域作用削弱了离子树脂内部的亲疏水相分离,减少了质子的传输通道和传递效率,造成了较大的欧姆阻抗.本文详细分析了Pt载量不断降低时,阴极催化层内的氧气体相、局域传输以及质子传导规律,及其对电池性能的影响,并针对其作用机制提出了应对策略.

关键词：超低Pt化阴极传质局域传质阻力体相传质阻力质子传导

氢燃料电池阳极抗一氧化碳毒化催化剂的研究进展与展望

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中国科学：技术科学 2024年第4期54卷 567-583页

作者：吴钊颖罗夏爽罗柳轩郭杨格沈水云章俊良上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所上海200240 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

氢燃料电池阳极侧通常使用铂(Pt)催化氢氧化反应(HOR),然而当前供应氢燃料电池的工业产氢气中通常含有少量的一氧化碳(CO)杂质,因此将导致Pt催化剂活性因CO中毒而降低.如何提升阳极催化剂的抗CO毒化能力是HOR研究领域的重要课题.本文介... 详细信息

氢燃料电池阳极侧通常使用铂(Pt)催化氢氧化反应(HOR),然而当前供应氢燃料电池的工业产氢气中通常含有少量的一氧化碳(CO)杂质,因此将导致Pt催化剂活性因CO中毒而降低.如何提升阳极催化剂的抗CO毒化能力是HOR研究领域的重要课题.本文介绍了抗CO毒化的Pt基催化剂的研究现状,总结了过渡金属及氧化物掺杂、催化剂表面修饰和载体调控及选择等合成策略,汇总了其他铂族金属催化剂与非贵金属催化剂的抗CO毒化研究进展,并对未来的抗CO毒化阳极HOR催化剂发展方向作出了展望.

关键词：氢燃料电池阳极反应氢氧化反应抗CO毒化电催化剂

金属纳米晶体电催化剂的电化学合成:原理、应用与挑战

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物理化学学报 2024年第7期40卷 1-6页

作者：赵路甜郭杨格罗柳轩闫晓晖沈水云章俊良上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所上海200240 上海交通大学能源与机械工程教育部重点实验室上海200240

金属纳米晶体催化剂由于其独特的电子性质,在电化学能源转化反应中表现出优异的催化性能。为了提升催化剂的活性和耐久性,需要精确调控其晶体结构和形貌。然而,传统的制备方法往往需要严苛的条件,如高温、高压和特定的有机物,以控制晶... 详细信息

金属纳米晶体催化剂由于其独特的电子性质,在电化学能源转化反应中表现出优异的催化性能。为了提升催化剂的活性和耐久性,需要精确调控其晶体结构和形貌。然而,传统的制备方法往往需要严苛的条件,如高温、高压和特定的有机物,以控制晶体的生成和生长过程。这限制了能够合成的金属基催化剂的种类,并导致清洗复杂和有机物残留的问题。电化学方法通过电化学响应获取体系过程信息,并可以通过调控参数来调节晶体的生长。特别是非水体系的电化学方法为活泼的过渡金属催化剂提供了可行的途径。然而,电化学方法自身对体系变化的敏感性使得从小面积电极制备催化剂扩展到电极级别的催化层制备面临挑战。这涉及许多机理和方法上的变化,对相关研究提出了较大的挑战。本文基于晶体生长机理,探讨了电化学制备金属晶体的可行性,并综述了电化学沉积制备纳米级金属电催化剂的研究。最后,对电化学制备纳米级金属晶体催化剂面临的挑战进行了分析,并提出了实现更广泛应用的建议。通过电化学方法制备金属纳米晶体催化剂在提高制备的可控性、减少有机物残留等方面具有潜在的优势,但也需要克服相关技术和方法上的难题,以实现其在能源转化等领域的应用。

关键词：电化学能量转化反应纳米金属电催化剂高催化性能电化学合成晶体生长机理

低铂质子交换膜燃料电池氧还原催化剂的研究进展与展望

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科学通报 2022年第19期67卷 2212-2225页

作者：赵路甜程晓静罗柳轩郑志峰沈水云章俊良上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所上海200240 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

Pt基催化剂是氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)最有效的催化剂,然而有限的Pt资源和高Pt载量严重制约了质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)的规模化应用.开发同时具有低Pt含量、高活性的ORR催化... 详细信息

Pt基催化剂是氧还原反应(oxygen reduction reaction,ORR)最有效的催化剂,然而有限的Pt资源和高Pt载量严重制约了质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFCs)的规模化应用.开发同时具有低Pt含量、高活性的ORR催化剂是推动PEMFCs大规模商业化的有效途径.本文从纯Pt催化ORR的机理出发,对当前研究中具有优异性能的均匀Pt合金催化剂和核-壳结构Pt基催化剂的ORR催化机理进行了阐述,并概述了其研究进展、研究策略和制备方法.尽管目前的研究致力于对Pt基纳米颗粒的形貌、粒径、元素组成和晶面等进行精确设计和调控,并在实验室层面实现了活性和耐久性的显著提升,但是现有常用制备方法存在的问题使得其商业化生产无法取得突破进展.最后对Pt基催化剂的规模化制备提出了见解,并对其前景进行了展望.

关键词：低铂高性能氧还原反应质子交换膜燃料电池规模化制备策略

基于MOFs材料的非贵金属氧还原电催化剂研究进展

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中国科学：技术科学 2022年第3期52卷 375-388页

作者：任子文谭泽昊向思磊陈士渠沈水云章俊良上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所上海200240 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因具有清洁、高效、安静、功率密度高、工作温度低、启动和功率匹配快等优点在新能源汽车领域备受青睐.由于PEMFCs阴极使用高载量的铂(Pt)基催化剂,其成本一直居高不下,大大阻碍了燃料电池汽车商业化进程.开... 详细信息

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因具有清洁、高效、安静、功率密度高、工作温度低、启动和功率匹配快等优点在新能源汽车领域备受青睐.由于PEMFCs阴极使用高载量的铂(Pt)基催化剂,其成本一直居高不下,大大阻碍了燃料电池汽车商业化进程.开发替代的高活性、高稳定性非贵金属催化剂被认为是终极解决方案.在众多类型的非贵金属催化剂中,碳-氮-过渡金属系列非贵金属催化剂表现出的ORR活性和寿命尤其值得关注.基于金属有机框架材料(MOFs)的非贵金属ORR电催化剂具有优异的性能而被广泛研究.本文通过介绍MOFs材料的特点与优势,综述了近年来国内外基于MOFs材料的碳-氮-过渡金属ORR电催化剂研究现状,主要包括Fe基MOFs催化剂、Co基MOFs催化剂、双金属MOFs催化剂等,并针对研究中遇到的瓶颈与挑战进行分析与展望,指出未来需要面向膜电极的活性、稳定性等进行深入研究.

关键词：燃料电池催化剂氧化金属有机框架化合物质子交换膜

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一体式再生燃料电池的性能衰减研究

电源技术 2021年第6期45卷 749-752,796页

作者：李平安邱殿凯沈水云彭林法上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

一体式再生燃料电池(URFC)的性能衰减问题是阻碍其应用的瓶颈,有必要探明其衰减机理。通过发电-电解模式循环实验对URFC进行了耐久性测试,通过电化学阻抗谱和微观物理表征方法分析了URFC性能衰减的原因。分析发现:电解模式下URFC性能衰... 详细信息

一体式再生燃料电池(URFC)的性能衰减问题是阻碍其应用的瓶颈,有必要探明其衰减机理。通过发电-电解模式循环实验对URFC进行了耐久性测试,通过电化学阻抗谱和微观物理表征方法分析了URFC性能衰减的原因。分析发现:电解模式下URFC性能衰减更加显著,电化学阻抗谱测试结果表明电池性能的衰减主要源于电荷转移阻抗的增大,占电池总阻抗增大的85%以上。膜电极元素观测结果表明:催化剂Ir和Pt元素的相对质量分数分别减少了24.46%和7.66%,进一步证实了Ir和Pt元素的溶解和团聚造成催化层活性降低是导致URFC性能衰减的主要原因。这为揭示URFC衰减机制提供了研究基础,并对减缓URFC性能衰减提供指导。

关键词：一体式再生燃料电池循环实验电化学阻抗谱性能衰减

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车用燃料电池电堆关键技术研究现状

汽车安全与节能学报 2022年第1期13卷 1-28页

作者：章俊良程明罗夏爽李慧媛罗柳轩程晓静闫晓晖沈水云上海交通大学机械与动力工程学院燃料电池研究所上海200240 上海交通大学动力机械与工程教育部重点实验室上海200240

“双碳”政策大大推动了氢能的发展,而燃料电池作为氢能利用的最佳方式,迎来了新一轮的研究与产业热潮,尤其是商业化较为成熟的车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)引发了众多关注。膜电极(MEA)和双极板(BPP)是PEMFC电堆的两大核心部件,决定... 详细信息

“双碳”政策大大推动了氢能的发展,而燃料电池作为氢能利用的最佳方式,迎来了新一轮的研究与产业热潮,尤其是商业化较为成熟的车用质子交换膜燃料电池(PEMFC)引发了众多关注。膜电极(MEA)和双极板(BPP)是PEMFC电堆的两大核心部件,决定了电堆的性能和成本。水热管理和低温启动技术对于电堆性能的实现和实际应用的推广也起到了至关重要的作用。本文全面深入地阐述了车用PEMFC膜电极、双极板、水热管理、低温启动等技术对电堆性能、寿命和成本的影响规律,进一步指出各项技术的发展趋势。除此之外,车用燃料电池的商业化应用短期将围绕公共交通以及重型商用车等大型车辆开展,而乘用车对电堆的功率密度和成本提出了更高的要求。

关键词：质子交换膜燃料电池(PEMFC) 膜电极(MEA) 双极板(BPP) 水热管理低温启动技术电堆性能电堆成本功率密度

地磁环境下多通道航天器磁测量系统设计及应用

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低压电器 2010年第18期 47-50页

作者：乔水云张松勇沈爱弟上海电器科学研究所(集团)有限公司上海200063 上海海事大学科学研究院上海200135

研究和开发了地磁环境下基于磁通门技术的以太网网络通信平台、磁传感器、测磁机箱和PC机相结合的多通道航天器磁测量系统,介绍了系统在航天器磁测量中的具体测量方法和应用过程。

关键词：磁测量多通道航天器磁通门磁矩