蘇州納米所周小春團(tuán)隊(duì)合作 ACS Nano:基于納米Nafion陣列的低Pt、高性能燃料電池
有序Nafion陣列因其在降低催化劑載量,提高燃料電池性能方面的巨大潛力而引起了大家的廣泛研究興趣。目前,有序Nafion陣列的尺寸已經(jīng)從最初的微米級減小到現(xiàn)在的亞微米級,納米尺寸的有序Nafion陣列成為其發(fā)展的必然趨勢。這主要是因?yàn)橛行騈afion陣列尺寸的減小能夠帶來三個(gè)方面的提升:高的陣列密度提供更多的質(zhì)子傳遞通道,高的比表面積提高催化劑的利用率,催化層與擴(kuò)散層更多的接觸位點(diǎn)減小界面?zhèn)鬟f阻力。但是,納米尺寸有序Nafion陣列較低的機(jī)械強(qiáng)度給其制備以及應(yīng)用都帶來了極大的困難(圖 1)。
圖 1. 有序Nafion陣列尺寸的發(fā)展趨勢、尺寸優(yōu)勢以及納米尺寸有序Nafion陣列的制備挑戰(zhàn)
近日,中科院蘇州納米所周小春研究員、崔義研究員,大連理工大學(xué)宋玉江教授等在ACS Nano上發(fā)表了高比表面積,納米尺寸有序Nafion陣列提高燃料電池性能,降低Pt催化劑載量的研究。相較于已經(jīng)報(bào)道的制備方法,該工作創(chuàng)新的通過Nafion乳液溶劑,Nafion陣列熱退火溫度,以及Nafion陣列剝離方式三個(gè)方面的研究實(shí)現(xiàn)了納米尺寸有序Nafion陣列的制備(圖2)。首先,使用DMSO作為Nafion乳液溶劑,并在140℃ 下進(jìn)行熱退火處理顯著提高了納米尺寸有序Nafion陣列的機(jī)械強(qiáng)度,其機(jī)械強(qiáng)度高達(dá)17.5 MPa,并高于商業(yè)Nafion 212的11.9 MPa。 進(jìn)一步,邊緣刻蝕的方式避免了納米尺寸有序Nafion陣列剝離過程中大量氫氣的產(chǎn)生與聚集,以及較高氫氣壓力對于Nafion陣列的破壞,Nafion膜的穿孔。最終成功制備了高機(jī)械強(qiáng)度,形貌完好的納米尺寸有序Nafion陣列(圖 3)。
成功制備的納米尺寸有序Nafion陣列的直徑僅為40 nm(D40),密度高達(dá)2.7×1010柱/cm2,遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道的Nafion陣列的密度。高密度的Nafion陣列提供了豐富的質(zhì)子傳遞通道,有利于催化層內(nèi)質(zhì)子傳遞阻力的降低。其次,比表面積高達(dá)51.5 cm2/cm2,為催化劑的負(fù)載提供了較大的比表面積,有利于催化劑利用率的提高(圖4)。進(jìn)一步,納米尺寸有序Nafion陣列的尺寸優(yōu)勢在燃料電池上得到了很好的證明。如圖 5所示,有序Nafion陣列作為陽極一側(cè)時(shí),相較于尺寸更大的D400(400 nm), D100(100nm),D40峰值功率密度最高,高達(dá)1.47 W/cm2。與此同時(shí),催化劑載量僅為17.6 μgPt/cm2。此外,D40用于陰極一側(cè),在61.0 μgPt /cm2的載量下,峰值功率密度可以達(dá)到1.29 W/cm2。與已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)相比,納米尺寸有序Nafion陣列無論應(yīng)用與陽極一側(cè)還是陰極一側(cè),均能夠在較低的催化劑載量下獲得較高的峰值功率密度。此外,該工作還為電解水和電合成催化層的合理設(shè)計(jì)提供了科學(xué)的指導(dǎo)。
圖 2. 該研究中納米尺寸有序Nafion陣列的制備流程與已報(bào)道的制備流程的對比
圖 4.有序Nafion陣列尺寸與Nafion陣列密度、比表面積的關(guān)系
圖 5.納米尺寸有序Nafion陣列在燃料電池中的應(yīng)用
相關(guān)論文以Nanosized Proton Conductor Array with High Specific Surface Area Improves Fuel Cell Performance at Low Pt Loading為題發(fā)表在ACS Nano上,中科院蘇州納米所博士后寧凡迪、大連理工大學(xué)博士研究生秦嘉琪為論文的共同第一作者。中科院蘇州納米所崔義研究員、大連理工大學(xué)宋玉江教授和中科院蘇州納米所周小春研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國博士后基金、蘇州市碳達(dá)峰碳中和科技支撐重點(diǎn)專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
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