苏州纳米所周小春团队合作 ACS Nano:基于纳米Nafion阵列的低Pt、高性能燃料电池
有序Nafion阵列因其在降低催化剂载量，提高燃料电池性能方面的巨大潜力而引起了大家的广泛研究兴趣。目前，有序Nafion阵列的尺寸已经从最初的微米级减小到现在的亚微米级，纳米尺寸的有序Nafion阵列成为其发展的必然趋势。这主要是因为有序Nafion阵列尺寸的减小能够带来三个方面的提升：高的阵列密度提供更多的质子传递通道，高的比表面积提高催化剂的利用率，催化层与扩散层更多的接触位点减小界面传递阻力。但是，纳米尺寸有序Nafion阵列较低的机械强度给其制备以及应用都带来了极大的困难（图 1）。
图 1. 有序Nafion阵列尺寸的发展趋势、尺寸优势以及纳米尺寸有序Nafion阵列的制备挑战
近日，中科院苏州纳米所周小春研究员、崔义研究员，大连理工大学宋玉江教授等在ACS Nano上发表了高比表面积，纳米尺寸有序Nafion阵列提高燃料电池性能，降低Pt催化剂载量的研究。相较于已经报道的制备方法，该工作创新的通过Nafion乳液溶剂，Nafion阵列热退火温度，以及Nafion阵列剥离方式三个方面的研究实现了纳米尺寸有序Nafion阵列的制备（图2）。首先，使用DMSO作为Nafion乳液溶剂，并在140℃ 下进行热退火处理显著提高了纳米尺寸有序Nafion阵列的机械强度，其机械强度高达17.5 MPa，并高于商业Nafion 212的11.9 MPa。 进一步，边缘刻蚀的方式避免了纳米尺寸有序Nafion阵列剥离过程中大量氢气的产生与聚集，以及较高氢气压力对于Nafion阵列的破坏，Nafion膜的穿孔。最终成功制备了高机械强度，形貌完好的纳米尺寸有序Nafion阵列（图 3）。
成功制备的纳米尺寸有序Nafion阵列的直径仅为40 nm（D40），密度高达2.7×1010柱/cm2，远高于文献中已经报道的Nafion阵列的密度。高密度的Nafion阵列提供了丰富的质子传递通道，有利于催化层内质子传递阻力的降低。其次，比表面积高达51.5 cm2/cm2，为催化剂的负载提供了较大的比表面积，有利于催化剂利用率的提高（图4）。进一步，纳米尺寸有序Nafion阵列的尺寸优势在燃料电池上得到了很好的证明。如图 5所示，有序Nafion阵列作为阳极一侧时，相较于尺寸更大的D400(400 nm)， D100（100nm），D40峰值功率密度最高，高达1.47 W/cm2。与此同时，催化剂载量仅为17.6 μgPt/cm2。此外，D40用于阴极一侧，在61.0 μgPt /cm2的载量下，峰值功率密度可以达到1.29 W/cm2。与已经报道的文献相比，纳米尺寸有序Nafion阵列无论应用与阳极一侧还是阴极一侧，均能够在较低的催化剂载量下获得较高的峰值功率密度。此外，该工作还为电解水和电合成催化层的合理设计提供了科学的指导。
图 2. 该研究中纳米尺寸有序Nafion阵列的制备流程与已报道的制备流程的对比
图 4.有序Nafion阵列尺寸与Nafion阵列密度、比表面积的关系
相关论文以Nanosized Proton Conductor Array with High Specific Surface Area Improves Fuel Cell Performance at Low Pt Loading为题发表在ACS Nano上，中科院苏州纳米所博士后宁凡迪、大连理工大学博士研究生秦嘉琪为论文的共同第一作者。中科院苏州纳米所崔义研究员、大连理工大学宋玉江教授和中科院苏州纳米所周小春研究员为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、中国博士后基金、苏州市碳达峰碳中和科技支撑重点专项等项目资助。
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