【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于燃料电池，具体涉及一种快速判定非铂催化剂氧还原稳定性的方法及装置。本专利技术属于战略性新型产业目录之5 新能源汽车产业中的5.1 新能源汽车产品产业重点方向下5.1.6 燃料电池系统及核心零部件铂催化剂及其他新型催化剂等。
技术介绍
1、燃料电池是一种新型可持续性的高效、环保的能源转换装置，但是燃料电池的氧还原反应动力学缓慢，且阴极需要大量昂贵而稀有的铂，这极大地阻碍了质子交换膜燃料电池的广泛应用和发展。在过去的几十年里，对氧还原反应机理的理解、新的催化剂合成方法和催化剂整体性能改进方面都取得了重大进展。由于其固有的高氧还原反应活性，金属-氮-碳氧还原催化剂（m-n-c，m = fe、co、mn等）已成为最有前途的非贵金属催化剂。m-n-c催化剂中存在两种主要形式的金属物种：与碳基质中的几个氮原子配位的单个金属原子（metal-nx位点）和无机非金属纳米粒子（碳化物、氮化物、硫化物，取决于使用的前体和热解条件），其中氧还原反应活性的主要贡献者被认为是是metal-nx位点，碳基质的结构和质地也对m-n-c催化剂的orr活性和长期稳定性起着关键作用。
2、目前，在所有的m-n-c催化剂中，fe-n-c因其在酸性条件下催化活性可与商业pt/c媲美而备受关注。尽管如此，它们在酸性环境中的稳定性（在恒定条件下运行）和耐久性（在动态条件下运行）仍然是一个巨大的障碍。据文献（li, j., chen, m., cullen, d.a. etal. nat catal. 2018, 1,935–945）报道，基于计时
3、现在评估m-n-c催化剂性能和性能耐久性的方法有旋转圆盘电极（rde)测试和膜电极组件(mea)测试两种。考虑到燃料电池设备价格昂贵，以燃料电池膜电极组件形式测试燃料电池中的催化剂非常复杂且耗时，在测试稳定性方面旋转圆盘电极（rde）测试法仍然有着更大的需求。但是，m-n-c催化剂在燃料电池中的稳定性远不如旋转盘测试时表现的稳定，即旋转圆盘电极（rde）测试方法所测得的稳定性仍然虚高，与膜电极组件（mea）测试结果偏差较大。如在文献energy environ. sci., 2019, 12,2548中，常温下在o2饱和的0.5m h2so4电解质中进行40,000次加速应力测试（ast）电位循环（0.6–1.0 v）后，e1/2仅损失了30 mv；而在0.70 v的恒定电压下，在h2–空气燃料电池中进行了约100小时的膜电极组件寿命测试，最终性能损失达到了50%以上，与旋转圆盘电极测试结果相差较大。文献liu, s.,li, c., zachman, m.j. et al. nat energy. 2022, 7, 652–663中，旋转圆盘电极测试方法是在o2饱和的0.5 m h2so4电解液中进行，温度为室温，转速为900 rpm，用阶梯电位法记录了催化剂的稳态极化曲线，阶梯电位为0.05 v，间隔30 s，从1.0 v到0 v，在30,000次循环后半波电位仅损失了124 mv。在随后进行的长期膜电极组件稳定性测试时，催化剂阴极发生了快速降解，在200 h后便已经损耗了80%。另一篇文献davide menga, jian lianglow. et al. j. am. chem. soc. 2021, 143, 43, 18010–18019中，旋转圆盘电极测试则是在o2饱和的0.1 m hclo4中进行，温度为室温，通过以400 rpm的速度在0.4至0.8 v之间循环进行加速应力测试，短测试的扫描速率为 50 mv s-1，长测试的扫描速率为 250 mv s-1，在短测试下经过500次循环半波电位损失了30 mv，在长测试下经过10,000个循环后半波电位仅损失了31 mv。而在随后实际的单电池测试当中，在测试初期便观察到性能的快速衰退，经过12小时后电池电压便下降了12%。在文献wu g, nelson m a, mack n h, et al.chemical communications, 2010, 46，40，7489-7491.中，旋转圆盘电极测试在n2饱和的0.5 m h2so4电解液中进行，温度为室温，转速为1600 rpm，在0.6到1.0 v之间进行电位循环扫描，扫描速率为10 mv s-1，在进行10,000次循环后可以观察到半波电位仅损失了10 mv。而在后续的在h2-空气燃料电池中进行的测试，在0.60和1.0 v之间仅经过3000次循环后，电流密度为0.4 a cm-2时的电压损失就达到了150 mv。从以上几篇文献中的测试方法我们可以看到，现有技术中在用旋转圆盘电极（rde）测试m-n-c催化剂性能稳定性时，rde测试的评价方法所测得的稳定性仍然虚高，与膜电极组件（mea）测试结果偏差较大。
技术实现思路
1、针对现有技术中以燃料电池膜电极组件形式测试燃料电池中的催化剂非常复杂且耗时，采用rde测试法测定的m-n-c催化剂稳定性与其在燃料电池中的实际稳定性相差较大的问题，本专利技术在旋转圆盘电极测试方法的基础上开发了一种简单的rde替代方案，更准确的将稳定性不合格的催化剂剔除。
2、本专利技术的目的是以下述方式实现的：一种快速判定非铂催化剂氧还原稳定性的方法，在o2饱和的0.1 m hclo4溶液中进行，电势范围为0~1.05 vrhe，扫描速率为40~60 mv s-1，电极转速为1500~1700 rpm，电解液温度为55~65℃。
3、电势范围为0~1.05 vrhe，扫描速率为50 mv s-1，电极转速为1600 rpm，电解液温度为60℃。
4、一种基于气体扩散电极的快速评价稳定性装置，包括盛装电解液的容器、参比电极a、工作电极b、对电极c、温度计d、循环装置e和加热控温装置f，盛装电解液的容器有进液口和出液口，循环装置e包括设置于进液口和出液口之间的管道，以及设置于管道上泵，循环装置e使体系中的电解液按循环流动；盛装电解液的容器为密闭容器，参比电极a、工作电极b、对电极c和温度计d与该容器的连接处密封良好；参比电极a伸入电解液中，与工作电极b构成测量回路，作为工作电极的电位参考；工作电极b，包括气体吹扫装置b1和负载催化剂的气体扩散电极b2，气体扩散电极b2没入电解液中，气体吹扫装置b1向气体扩散电极b2背部吹扫具有一定压力的o2；对电极c，用于和工作电极b构成电流回路；温度计d伸入电解液中部，监测电解液的温度；容器底部有加热控温装置f，加热控温装置f对电解液进行加热，并使之保持恒定的温度。
5、盛装电解液的容器上部还设置排气管。
6、参比电极a为饱和甘汞电极，气体吹扫装置b1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1. 一种快速判定非铂催化剂氧还原稳定性的方法，其特征在于：在O2饱和的0.1 MHClO4溶液中进行，电势范围为0~1.05 VRHE，扫描速率为40~60 mV s-1，电极转速为1500~1700 rpm，电解液温度为55~65℃。
2. 根据权利要求1所述一种快速判定非铂催化剂氧还原稳定性的方法，其特征在于：电势范围为0~1.05 VRHE，扫描速率为50 mV s-1，电极转速为1600 rpm，电解液温度为60℃。
3.由权利要求1或2所述方法采用的一种基于气体扩散电极的快速评价稳定性装置，其特征在于：包括盛装电解液的容器、参比电极A、工作电极B、对电极C、温度计D、循环装置E和加热控温装置F，盛装电解液的容器有进液口和出液口，循环装置E包括设置于进液口和出液口之间的管道，以及设置于管道上泵，循环装置E使体系中的电解液按循环流动；盛装电解液的容器为密闭容器，参比电极A、工作电极B、对电极C和温度计D与该容器的连接处密封良好；参比电极A伸入电解液中，与工作电极B构成测量回路，作为工作电极的电位参考；工作电极B，包括气体吹扫装置B1和负载催化剂的气
4.由权利要求3所述基于气体扩散电极的快速评价稳定性装置，其特征在于：盛装电解液的容器上部还设置排气管。
5. 由权利要求3所述基于气体扩散电极的快速评价稳定性装置，其特征在于：参比电极A为饱和甘汞电极，气体吹扫装置B1进行气体吹扫流速为200~400 sccm。
6.由权利要求3所述基于气体扩散电极的快速评价稳定性装置，其特征在于：所述温度计为水银温度计。
...【技术特征摘要】
1. 一种快速判定非铂催化剂氧还原稳定性的方法，其特征在于：在o2饱和的0.1 mhclo4溶液中进行，电势范围为0~1.05 vrhe，扫描速率为40~60 mv s-1，电极转速为1500~1700 rpm，电解液温度为55~65℃。
2. 根据权利要求1所述一种快速判定非铂催化剂氧还原稳定性的方法，其特征在于：电势范围为0~1.05 vrhe，扫描速率为50 mv s-1，电极转速为1600 rpm，电解液温度为60℃。
3.由权利要求1或2所述方法采用的一种基于气体扩散电极的快速评价稳定性装置，其特征在于：包括盛装电解液的容器、参比电极a、工作电极b、对电极c、温度计d、循环装置e和加热控温装置f，盛装电解液的容器有进液口和出液口，循环装置e包括设置于进液口和出液口之间的管道，以及设置于管道上泵，循环装置e使体系中的电解液按循环流动；盛装电解液的容器为密闭容器，参比电极a、工作电极b、对电...
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