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Improving the bulk gas transport of Fe-N-C platinum group metal-free nanofiber electrodes via electrospinning for fuel cell applications

材料科学 电极 介电谱 离聚物 静电纺丝 纳米纤维 化学工程 电催化剂 可逆氢电极 电化学 钯氢电极 循环伏安法 铂金 化学修饰电极 参比电极 Nafion公司 气体扩散电极 纳米技术 复合材料 聚合物 催化作用 有机化学 化学 物理化学 工程类 共聚物
作者
Sadia Kabir,Samantha Medina,Guanxiong Wang,Guido Bender,Svitlana Pylypenko,K.C. Neyerlin
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:73: 104791-104791 被引量:51
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104791
摘要

To overcome transport limitations associated with thicker platinum group metal-free (PGM-free) electrodes, it's imperative to investigate and tailor alternative electrode architectures to maximize the bulk electrode transport properties, whilst not significantly impeding electrocatalyst active site accessibility and electrode proton resistance. In this work, PGM-free nanofiber electrode mats, prepared by electrospinning a mixture of pyrolyzed Fe-N-C catalyst, Nafion ionomer and a carrier polymer Poly Acrylic acid (PAA), were compared to traditionally prepared electrodes. The morphological properties and elemental distribution of the fabricated nanofiber electrodes showed that the exterior surface of the PGM-free nanofibers was conformally covered with a thin ionomer film. Electrochemical diagnostics performed utilizing cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and H2-limiting current measurements, revealed an increase in electric double layer capacitance, reduction in electrode proton transport and a significant improvement in bulk-electrode gas transport properties for the nanofiber electrodes, supporting the observed performance increase from electrochemical polarization data obtained in H2-O2/Air fuel cells. At 100% RH in H2/Air, the power density of the nanofiber electrodes increased ca. 50% vs. the traditionally prepared electrodes (ca. 260 vs 175 mW cm−2), which was attributed to a less tortuous molecular diffusion pathway and an associated reduction in the pressure dependent and independent gas transport resistances in the nanofiber electrodes.
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