我所发现燃料电池多孔电极周期性界面微观结构

  近日,我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心孙公权研究员和王素力研究员团队在质子交换膜燃料电池多孔电极界面结构研究领域取得进展。该团队结合显微谱学表征方法与电化学分离变量手段,在真实多孔电极环境中发现电催化剂与离聚物所形成的界面微观结构周期性亲水/疏水演变规律。

  成本是质子交换膜燃料电池商业化应用面临的挑战之一,随着燃料电池出货量的日益增加,催化剂将成为最大成本占比,因而降低贵金属催化剂载量成为目前质子交换膜燃料电池的研究重点。当催化剂在多孔电极中的载量从0.4 mg cm-2降至0.05 mg cm-2甚至更低时,催化剂/离聚物界面区域的局部传质阻抗将急剧上升,进而导致低载电极性能无法到达高载电极同等水平。研究催化剂/离聚物界面结构与物质传输性能间的构效关系,对阐明局部传质阻抗产生原因,设计构建低成本电极至关重要。

  

  该团队在前期电极界面结构及物质传输研究基础(Nano Energy, 2019, 65: 104048; J. Mater. Chem. A, 2020, 8: 1113; J. Mater. Chem. A, 2017, 5: 15260)上,创新性地利用Cs离子交换染色技术,结合STEM显微成像分析,实现了多孔电极中离聚物(Nafion)/Pt界面微观结构的精细表征。进一步结合化学吸附脉冲滴定与电化学变量分离方法,发现该Nafion/Pt界面层中质子/氧传输性能呈现出周期性演变规律。基于该规律分析,首次在纳米尺度建立了界面层中离聚物亲水相和疏水相交替暴露的界面模型。该研究的发表将促进质子交换膜燃料电池高性能低铂电极的发展,为实现其低成本商业化应用奠定理论基础。

  该研究成果发表在《纳米能源》(Nano Energy)杂志上,博士研究生孙瑞利和夏章讯副研究员为共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大研究计划集成项目、中国科学院战略重点研究计划项目等资助。(文/图 孙瑞利、夏章讯)

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