近日，大連化物所醇類燃料電池及復(fù)合電能源研究中心孫公權(quán)研究員和王素力研究員團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子交換膜燃料電池多孔電極界面結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域取得進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)結(jié)合顯微譜學(xué)表征方法與電化學(xué)分離變量手段，在真實(shí)多孔電極環(huán)境中發(fā)現(xiàn)電催化劑與離聚物所形成的界面微觀結(jié)構(gòu)周期性親水/疏水演變規(guī)律。
成本是質(zhì)子交換膜燃料電池商業(yè)化應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)之一，隨著燃料電池出貨量的日益增加，催化劑將成為最大成本占比，因而降低貴金屬催化劑載量成為目前質(zhì)子交換膜燃料電池的研究重點(diǎn)。當(dāng)催化劑在多孔電極中的載量從0.4 mg cm-2降至0.05 mg cm-2甚至更低時(shí)，催化劑/離聚物界面區(qū)域的局部傳質(zhì)阻抗將急劇上升，進(jìn)而導(dǎo)致低載電極性能無法到達(dá)高載電極同等水平。研究催化劑/離聚物界面結(jié)構(gòu)與物質(zhì)傳輸性能間的構(gòu)效關(guān)系，對(duì)闡明局部傳質(zhì)阻抗產(chǎn)生原因，設(shè)計(jì)構(gòu)建低成本電極至關(guān)重要。
該團(tuán)隊(duì)在前期電極界面結(jié)構(gòu)及物質(zhì)傳輸研究基礎(chǔ)（Nano Energy, 2019, 65: 104048; J. Mater. Chem. A, 2020, 8: 1113; J. Mater. Chem. A, 2017, 5: 15260）上，創(chuàng)新性地利用Cs離子交換染色技術(shù)，結(jié)合STEM顯微成像分析，實(shí)現(xiàn)了多孔電極中離聚物（Nafion）/Pt界面微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征。進(jìn)一步結(jié)合化學(xué)吸附脈沖滴定與電化學(xué)變量分離方法，發(fā)現(xiàn)該Nafion/Pt界面層中質(zhì)子/氧傳輸性能呈現(xiàn)出周期性演變規(guī)律。基于該規(guī)律分析，首次在納米尺度建立了界面層中離聚物親水相和疏水相交替暴露的界面模型。該研究的發(fā)表將促進(jìn)質(zhì)子交換膜燃料電池高性能低鉑電極的發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)其低成本商業(yè)化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。
該研究成果發(fā)表在《納米能源》（Nano Energy）雜志上，博士研究生孫瑞利和夏章訊副研究員為共同第一作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目、中國科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目等資助。
