纳米分散离聚物可延长聚合物电解质燃料电池的使用寿命

在一份有关科学进展的新报告中,安志勇(Chi-Yeong Ahn)和一个研究团队介绍了一种简单的方法,使用超临界流体,在水溶液酒精中制备粘结剂材料的均匀纳米级分散体。该制备方法具有良好的分散性、结晶度和质子导电性,在PEFC阴极电极上具有高性能和耐用性。

Nafion离聚物在催化剂表面的示意图。(A)通过乳液聚合合成的常规离聚物的分布。(B)通过超临界流体(SCF)工艺合成的实验室制造的离聚物的分布。放大的概念图,显示了常规和制备的离聚物在Pt / C催化剂表面上的分布。SCF工艺有助于形成纳米分散的Nafion离聚物,从而改善了电化学性能和耐久性。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw0870

新的研究角度

聚合物电解质燃料电池(PEFCs)是一种能够有效地将燃料的化学能直接转化为电能的电化学装置。聚合物电解质膜、催化剂和全氟磺酸(PFSA)离子等关键组分对聚己内酯的影响很大。

氧化还原反应发生在一个PEFC主要发生在电极界面称为三阶段边界(图则的反应物气体(H2 O2在阳极和阴极)可以接触到铂(Pt)催化剂粒子,电子导电碳材料(因此三阶段)。

在本研究中,Ahn等人通过在超临界条件下用脂肪醇处理Nafion 117膜,描述了一种平均胶体颗粒大小远小于商用分散体的离子束分散体。

Nafion膜是上世纪60年代E. I. du Pont de Nemours和公司推出的全氟磺酸(PFSA)膜的品牌名称,它可以在质子交换膜燃料电池和水电解器中分离阳极和阴极室。

1 / 1常规D521离聚物和ND离聚物的MEA的表面形貌和孔分布。使用常规D521离聚物的(A至C和G)MEA和使用ND离聚物的(D至F和H)MEA的SEM结果。(I)使用常规D521离聚物(蓝色)和ND离聚物(红色)的MEA的MIP结果。插图是显示0.1至10μm附近孔分布的放大图。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aaw0870

研究方法

超临界流体(SCF)广泛用于工业和研究中,以合成特殊药物,聚合物和纳米材料,另外还用于制备电化学研究材料。然而,研究人员仍在探索超酸性全氟磺酸(PFSA)离聚物作为电极粘合剂的功效。

为了达到这个目的,Ahn等人首先通过在超临界流体状态(SCF)的异丙醇(IPA)的水性介质中处理市售的Nafion膜来获得实验室制造的离聚物分散体。

然后使用动态光散射分析,研究人员观察了小于100 nm的离聚物颗粒分布,并将实验室制得的分散体称为“纳米分散体”(ND)。ND经历了从水分散体到固体的相变,以用作阴极粘合剂。

通过X射线衍射(XRD)分析,与其他PEFC系统中使用的Nafion D521相比,他们获得了ND的结晶度,并显示为均匀排列的半结晶链,具有改善的规则性。ND的质子传导性提高意味着电阻降低。

Ahn等人用扫描电子显微镜观察(SIP)的离聚物分散体的特征(测试),用扫描电子显微镜观察形貌,用压汞法(MIP)测量孔隙率。他们观察到MEA(膜-电极组件)表面上的ND相对均匀。

将ND离聚物很好地分散在墨浆中的Pt / C催化剂上,以准备MEA。基于催化剂的形态和孔径分布,ND在膜电极组件内具有更好的离聚物分散性,可用于燃料。

研究结果

Chi-Yeong Ahn)=等人=他们证实了ND作为阴极粘结剂材料的电化学效能,并观察到从超临界流体(SCF)过程中获得的ND离子的独特形貌。

这些形态与改善的质子电导率和单细胞性能相对应,这是由有效的质子传输途径造成的。在电流密度为0.6 V时,较高的晶体含量和分子量提高了机械强度,并使MEA寿命提高了6倍。

结果表明,改进了PEFC电极的性能和耐久性。研究小组期望电极在聚合物电解质燃料电池中使用具有高性能催化剂的新形成的离子单体后,能够进一步提高性能和耐久性。

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