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北京理工大學首次提出并構筑燃料電池催化層多孔離聚物

時間:2022-10-16 12:45來源:材料科學與工程 作者:材料科學與工程
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       燃料電池是低碳未來的重要能源技術。它們通過電化學反應將氧和氫轉化為電。與電池相比,只要有氧氣和氫氣供應,燃料電池就可以連續工作。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,目前的燃料電池設計存在鉑催化劑利用率低、反應速度慢以及鉑成本高的問題。
 
       日前,北京理工大學王博、馮霄團隊提出了一種設計,首次提出并構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。相關成果以題為“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”發表在《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量傳輸阻力,因此具有挑戰性。在質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,優化離聚體,從而定制三相微環境。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實現質子轉移并促進氧氣滲透。Pt的質量活度和含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;與文獻數值的比較
 
(責任編輯:子蕊)
文章標簽: 燃料電池
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