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北京理工大學(xué)李煜景研究員課題組在用于質(zhì)子交換膜燃料電池的超低鉑載量半有序催化劑層研究中取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Semi-ordered catalyst layer with ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells”為題，在國際期刊《JOURNAL OF POWER SOURCES》IF=8.1上發(fā)表，提出了一種半有序催化劑層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)顯著降低了質(zhì)量傳遞阻力，同時(shí)增強(qiáng)了H+傳遞。具有固有內(nèi)部空隙的有序微陣列（OMA）在催化劑層內(nèi)建立了垂直通道，并優(yōu)化了質(zhì)子和氧的傳輸路徑。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）鉑族金屬（PGM）負(fù)載的減少，對(duì)氫能大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。催化劑層的結(jié)構(gòu)排序被認(rèn)為是提高發(fā)電性能并因此降低PGM負(fù)載的重要手段?？紤]到鉑金昂貴和稀有，降低 Pt 用量一直是催化劑研究主要方向。

為了探索解決這個(gè)問題，李煜景研究員課題組應(yīng)用武漢電弛新能源有限公司研制的DC980桌面式燃料電池測試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低負(fù)載（0.05-0.1 mgPt cm-2）下表現(xiàn)出24%的MEA性能顯著提高，并具有更低的氧傳輸阻力。多物理場建模證明了半有序催化劑層中的垂直孔道在催化劑層中的質(zhì)量傳遞中的作用，同時(shí)進(jìn)一步降低Pt負(fù)載，同時(shí)保持燃料電池的高性能。

在實(shí)驗(yàn)中，首先采用氧化鋁模板制備了一側(cè)具有OMA表面的Nafion膜，表面有著簇狀陣列，結(jié)構(gòu)有著較好的穩(wěn)定性。

隨后采用催化劑涂層膜工藝（CCM）制成膜電極，其中OMA側(cè)用作陰極，形成了半有序催化層。為防止噴涂過程中對(duì)陣列的破壞，催化劑墨水采用高固體含量比。

為驗(yàn)證OMA的效果，與標(biāo)準(zhǔn)商用XL膜進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在不同濕度下，XL-OMA表現(xiàn)出了更高的電化學(xué)比表面積（ECSA）。同時(shí)在較低的Pt負(fù)載量下，XL-OMA表現(xiàn)出了更低的與壓力無關(guān)的02輸運(yùn)阻力，對(duì)OMA的氧氣運(yùn)輸表現(xiàn)出了積極影響，并且超低Pt負(fù)載，對(duì)質(zhì)量傳遞也起到了積極作用。

隨后，通過電化學(xué)測試，評(píng)估了不同Pt載量下半有序催化劑層和傳統(tǒng)平面催化劑層的PEMFC性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)平面催化劑層相比，半有序催化劑層在超低Pt載量（0.05–0.1 mg Pt cm^-2）下表現(xiàn)出顯著降低的氧氣傳輸阻力和顯著提高的MEA性能（提升24%）。

為了更深入地理解半有序催化劑層中垂直通道對(duì)燃料電池性能的影響，實(shí)驗(yàn)還采用了多物理場建模方法。通過COMSOL Multiphysics平臺(tái)模擬了不同催化劑層結(jié)構(gòu)下的燃料電池性能，并比較了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和半有序結(jié)構(gòu)之間的差異。模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了半有序催化劑層在降低質(zhì)量傳輸阻力和提高質(zhì)子傳導(dǎo)效率方面的優(yōu)勢(shì)。

本研究通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了半有序催化劑層在PEMFC中的優(yōu)越性能。該設(shè)計(jì)不僅顯著降低了Pt載量，還提高了燃料電池的效率和耐久性。未來，隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，有望進(jìn)一步優(yōu)化半有序催化劑層的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升PEMFC的性能和降低成本，推動(dòng)其在清潔能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)DIO：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234516