近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所燃料電池系統(tǒng)科學(xué)與工程研究中心研究員侯明、研究員邵志剛團隊與美國紐約州立大學(xué)布法羅分校教授武剛團隊合作，在質(zhì)子交換膜燃料電池低鉑膜電極研究方面取得新進展，設(shè)計并制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的低鉑納米纖維電極，該電極顯著提高了燃料電池水管理能力和電極穩(wěn)定性。
具有仿生結(jié)構(gòu)的低鉑納米纖維電極可顯著提高燃料電池水管理能力和電極穩(wěn)定性
質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量轉(zhuǎn)化效率高、低溫啟動速度快、環(huán)境友好等優(yōu)點，是清潔能源技術(shù)的研究熱點。膜電極是燃料電池的核心部件，是實現(xiàn)化學(xué)能-電能轉(zhuǎn)換的場所。但是，傳統(tǒng)膜電極的鉑用量高、穩(wěn)定性差等因素限制了燃料電池的商業(yè)化應(yīng)用。
合作團隊在前期低鉑膜電極工作（Nano Energy，2017；J. Mater. Chem. A，2018；J. Mater. Chem. A，2018；Sustainable Energy Fuels，2020；J. Mater. Chem. A，2020）的基礎(chǔ)上，制備了具有仿生結(jié)構(gòu)的自支撐式的納米槽（nanotrough）催化層，并將其作為質(zhì)子交換膜燃料電池的陰極。該研究首次通過環(huán)境掃描電鏡在線觀察到燃料電池的產(chǎn)物水在納米槽電極和傳統(tǒng)Pt/C電極中的形成和輸運過程，證明了該電極具有與禾本科植物類似的排水機制，驗證了納米槽電極優(yōu)異的水管理能力。此外，在鉑擔(dān)量為42 g/cm2時，納米槽電極的陰極質(zhì)量比功率密度達到22.26W mg/Pt，是傳統(tǒng)Pt/C電極的1.27倍。低鉑納米槽電極在加速衰減實驗過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，克服了傳統(tǒng)Pt/C電極所面臨的Pt納米顆粒的老化、碳載體腐蝕及聚合物離子導(dǎo)體的失效，以及由此產(chǎn)生的催化層結(jié)構(gòu)坍塌等問題。該研究為膜電極結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一條新思路。
相關(guān)研究成果以“Free-standing and Ionomer-free 3D Platinum Nanotrough Fiber Network Electrode for Proton Exchange Membrane Fuel Cells”為題，于近日發(fā)表在《應(yīng)用催化B：環(huán)境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。該工作的第一作者是大連化物所2018級博士研究生齊滿滿和紐約州立大學(xué)布法羅分校博士后曾亞超。上述工作得到國家重點研發(fā)計劃項目、遼寧省興遼英才計劃、國家自然科學(xué)基金青年基金等項目的資助。
