中国科学院苏州纳米所等在基于纳米Nafion阵列的低Pt、高性能燃料电池研究方面获进展

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有序Nafion阵列因其在降低催化剂载量、提高燃料电池性能方面的巨大潜力引起了人们的广泛关注。目前,有序Nafion阵列的尺寸已经从最初的微米级减小到现在的亚微米级,纳米尺寸的有序Nafion阵列成为其发展的必然趋势。这主要是因为有序Nafion阵列尺寸的减小能够带来三个方面的提升:高的阵列密度提供更多的质子传递通道,高的比表面积提高催化剂的利用率,催化层与扩散层更多的接触位点减小界面传递阻力。但是,纳米尺寸有序Nafion阵列较低的机械强度给其制备以及应用都带来了极大的困难(图1)。

近日,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员周小春、崔义,大连理工大学教授宋玉江等在ACS Nano上发表了高比表面积、纳米尺寸有序Nafion阵列提高燃料电池性能、降低Pt催化剂载量的研究。相较于已经报道的制备方法,该工作创新地通过Nafion乳液溶剂、Nafion阵列热退火温度,以及Nafion阵列剥离方式三个方面的研究实现了纳米尺寸有序Nafion阵列的制备(图2)。研究人员使用DMSO作为Nafion乳液溶剂,并在140℃下进行热退火处理,显著提高了纳米尺寸有序Nafion阵列的机械强度,其机械强度高达17.5 MPa,并高于商业Nafion 212的11.9 MPa。进一步,边缘刻蚀的方式避免了纳米尺寸有序Nafion阵列剥离过程中大量氢气的产生与聚集,以及较高氢气压力对于Nafion阵列的破坏和Nafion膜的穿孔。该研究成功制备了高机械强度、形貌完好的纳米尺寸有序Nafion阵列(图3)。

成功制备的纳米尺寸有序Nafion阵列的直径仅为40 nm(D40),密度高达2.7×1010柱/cm2,远高于文献中已经报道的Nafion阵列的密度。高密度的Nafion阵列提供了丰富的质子传递通道,有利于催化层内质子传递阻力的降低。其次,比表面积高达51.5 cm2/cm2,为催化剂的负载提供了较大的比表面积,有利于催化剂利用率的提高(图4)。此外,纳米尺寸有序Nafion阵列的尺寸优势在燃料电池上得到了很好的证明。有序Nafion阵列作为阳极一侧时,相较于尺寸更大的D400(400 nm)、D100(100nm),D40峰值功率密度最高,高达1.47 W/cm2(图5),与此同时,催化剂载量仅为17.6 μgPt/cm2。此外,D40用于阴极一侧,在61.0 μgPt /cm2的载量下,峰值功率密度可以达到1.29 W/cm2。与已经报道的文献相比,纳米尺寸有序Nafion阵列无论应用于阳极一侧还是阴极一侧,均能够在较低的催化剂载量下获得较高的峰值功率密度。此外,该工作还为电解水和电合成催化层的合理设计提供指导。

相关研究工作得到国家重点研发计划、中国博士后基金、苏州市碳达峰碳中和科技支撑重点专项等项目资助。

责编: 爱集微
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