北京理工大學(xué)首次提出并構(gòu)筑燃料電池催化層多孔離聚物

時間:2022-10-16 12:45來源:材料科學(xué)與工程 作者:材料科學(xué)與工程
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       燃料電池是低碳未來的重要能源技術(shù)。它們通過電化學(xué)反應(yīng)將氧和氫轉(zhuǎn)化為電。與電池相比，只要有氧氣和氫氣供應(yīng)，燃料電池就可以連續(xù)工作。由于不需要含碳燃料，燃料電池提供了低碳或零碳電力的承諾。燃料電池所需的氫和氧可以通過環(huán)境友好的方式獲得，例如分別通過水裂解和空氣分離。然而，目前的燃料電池設(shè)計存在鉑催化劑利用率低、反應(yīng)速度慢以及鉑成本高的問題。
 
       日前，北京理工大學(xué)王博、馮霄團隊提出了一種設(shè)計，首次提出并構(gòu)筑了適用于燃料電池催化層的多孔共價有機框架（COF）離聚物來顯著改善燃料電池的性能，這種多孔材料可以促進燃料向催化劑的運輸并提高其利用率。相關(guān)成果以題為“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”發(fā)表在《Science》期刊。
 
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       在不犧牲功率密度和耐久性的情況下，降低燃料電池中的鉑（Pt）負載是非常理想的，但由于催化劑表面附近的高質(zhì)量傳輸阻力，因此具有挑戰(zhàn)性。在質(zhì)子交換膜燃料電池中，Nafion離聚物通常會過度包裹和抑制鉑催化劑，并會阻礙催化劑層中的氣體傳輸。本研究通過將離子共價有機骨架（COF）納米片并入Nafion，優(yōu)化離聚體，從而定制三相微環(huán)境。COF的六邊形孔改善了氣體傳輸，固定在孔壁上的磺酸基團減少了與鉑的結(jié)合，從而抑制了其活性。2.8至4.1納米的介孔孔徑和附加的磺酸鹽基團能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移并促進氧氣滲透。Pt的質(zhì)量活度和含Pt/Vulcan的燃料電池的峰值功率密度（陰極中每平方厘米0.07 mg Pt）均達到無COF時的1.6倍。該策略適用于不同鉑負載量和不同商用催化劑的催化劑層。
 

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圖1 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機理圖

 

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圖2. 燃料電池性能和耐用性；與文獻數(shù)值的比較
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標簽： 燃料電池
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