DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104791
為了克服與較厚無鉑族金屬（PGM-free）電極相關的傳輸限制，必須研究和定制其他可替代的電極結構，以最大程度地提高塊體電極的傳輸性能，同時又不顯著影響電催化劑活性位點的可及性和電極質子的抵抗性。本文將電紡熱解Fe-N-C催化劑、Nafion離聚物和載體聚合物聚丙烯酸(PAA)的混合物制備的無PGM納米纖維電極墊與傳統制備的電極進行了比較。所制備的納米纖維電極的形態學性質和元素分布表明，無PGM的納米纖維的外表面共形地覆蓋有離聚物薄膜。利用循環伏安法、電化學阻抗譜（EIS）和H2極限電流測量進行的電化學診斷表明，雙電層電容量增加，電極質子傳輸減少，納米纖維電極的塊體電極氣體傳輸性能顯著改善，從H2-O2/空氣燃料電池中獲得的電化學極化數據支持觀察到的性能改善。在H2/空氣中，相對濕度為100%時，納米纖維電極的功率密度比傳統制備的電極（約260 vs 175 mW cm-2）增加了約50%，這是由于分子擴散路徑不太曲折以及納米纖維電極中的壓力依賴性和獨立的氣體輸運阻力降低所致。
圖1.（a）無PGM靜電紡絲油墨配方的示意圖，含Fe-NC催化劑:離聚物:PAA的均質混合物，（b）用于制備無PGM納米纖維電極墊的靜電紡絲設備，以及（c）用無PGM納米纖維墊作為熱壓正極CCL和Pt/HSC負極GDE制備MEA（膜電極組件）。
圖2.圖示表明使用H2限流診斷程序對制備用于塊體電極的膜電極組件進行傳輸測量。無PGM的催化劑層（包含納米纖維或標準油墨）沉積在鉑黑傳感器（PtB）上，并在Pt/B和無PGM的CCL界面測量H2限制電流，以說明無PGM的CCLs中的氣體傳輸阻力。
圖3.（a）帶有插圖的無PGM催化劑粉末的SEM顯微照片,其中插圖顯示了主要顆粒，以及（b）帶有插圖的無PGM纖維墊的SEM顯微照片，其中插圖為納米纖維形態的高倍放大圖片。
圖4.顯示納米纖維形態和厚度變化的STEM BF圖像（a），以及顯示（b）碳：C-藍色、（c）氮：N-紫色、（d）碳和硫覆蓋層：C-藍色和S-黃色元素分布的EDS圖，（e）具有氟和硫覆蓋層：F-綠色和S-黃色、（f）氟：F-綠色、（g）硫：S-黃色、（h）碳和氟覆蓋層：C-藍色和F-綠色的STEM BF圖像。
圖5.（a）通過靜電紡絲和常規手工噴涂制備的，含無PGM的（■）納米纖維和（□）標準電極，負載量為3 mg cm-2的5 cm2 MEAs的燃料電池極化曲線。電池分別在80℃、150 kPa和100%相對濕度以及（b）50%、75%和100%相對濕度下的H2/O2中運行。（c）在H2/N2中、100%相對濕度下，以20 mV s-1獲得的標準和納米纖維電極的循環伏安圖。（d）納米纖維和標準電極的歸一化電容由100%-50%相對濕度下測量的CV估算得出。
圖6.HAADF STEM圖像（a）顯示了納米纖維的橫截面圖。（b）氮，N-紫色（c）鐵，Fe-紅色（d）氮和鐵，Fe-紅色和N-紫色（e）碳，C-藍色（f）氟，F-綠色（g）硫，S-黃色（h）碳和氟覆蓋層，C-藍色和F-綠色，表明了纖維直徑上的元素分布。
圖7.（a）含無PGM（■）納米纖維和（□）標準電極，負載量為3 mg cm-2的5 cm2 MEAs在80℃、150 kPa和100%相對濕度以及（b）50、75和100%相對濕度的H2/空氣中的燃料電池極化曲線；（c）奈奎斯特圖，顯示了燃料電池阻抗隨頻率的變化與相對濕度的函數關系；（d）在標準和納米纖維電極中的氣體傳輸阻力，顯示在100%相對濕度、80℃下（d）總氣體傳輸阻力與壓力的函數關系，其中Rtotal包括非壓力相關（RNP）和壓力相關（RP）的傳輸阻力。
圖8.標準納米纖維電極的（a）非壓力相關RNP（b）壓力相關RP和（c）塊體電極的Rtotal傳輸阻力測量值隨相對濕度的變化。
圖9.在（a）標準和（b）納米纖維電極層中，高和低相對濕度下離聚物分布和氣體傳輸的示意圖。
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