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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(shí)間:2022-10-16 12:45來(lái)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(lái)的重要能源技術(shù)。它們通過(guò)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(guò)環(huán)境友好的方式獲得，例如分別通過(guò)水裂解和空氣分離。然而，目前的燃料電池設(shè)計(jì)存在鉑催化劑利用率低、反應(yīng)速度慢以及鉑成本高的問(wèn)題。

日前，北京理工大學(xué)王博、馮霄團(tuán)隊(duì)提出了一種設(shè)計(jì)，首次提出并構(gòu)筑了適用于燃料電池催化層的多孔共價(jià)有機(jī)框架（COF）離聚物來(lái)顯著改善燃料電池的性能，這種多孔材料可以促進(jìn)燃料向催化劑的運(yùn)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。

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(fù)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(huì)過(guò)度包裹和抑制鉑催化劑，并會(huì)阻礙催化劑層中的氣體傳輸。本研究通過(guò)將離子共價(jià)有機(jī)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(tuán)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(tuán)能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移并促進(jìn)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(dá)到無(wú)COF時(shí)的1.6倍。該策略適用于不同鉑負(fù)載量和不同商用催化劑的催化劑層。

圖

圖1 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機(jī)理圖

圖2. 燃料電池性能和耐用性；與文獻(xiàn)數(shù)值的比較

(責(zé)任編輯：子蕊)

文章標(biāo)簽：燃料電池

作者：材料科學(xué)與工程，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處：http://www.www.astra-soft.com/qianyan//2022101640352.html

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