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多站重量法氣體蒸氣吸附儀助力北理工王博團(tuán)隊在《Science》發(fā)表新成果：高性能燃料電池用共價有機(jī)框架基多孔離聚物

貝士德 2022-10-31 | 閱讀：1527

氫燃料電池因為清潔無污染和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。膜電極(MEA)作為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)的關(guān)鍵部件,，對質(zhì)子交換膜燃料電池的性能起著決定性作用,。在膜電極組件（MEA）的催化劑層（CL）中，ORR發(fā)生在氧-水-催化劑的三相界面上,。離聚物是質(zhì)子交換膜和Pt催化劑中質(zhì)子電流位點(diǎn)之間的質(zhì)子導(dǎo)電連接,，在PEMFCs中主導(dǎo)著三相微環(huán)境。目前，全氟磺酸聚合物（PFSA,，或Nafion）是應(yīng)用最廣泛的離聚物,。然而，PFSA使用在燃料電池中存在鉑催化劑利用率低,、反應(yīng)速度慢等問題,。

圖1. 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機(jī)理圖

近日，北京理工大學(xué)王博,、馮霄帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊在《Science》期刊發(fā)表的題為“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”的成果中設(shè)計了一種將磺酸功能化的DhaTab-COF(SDT-COF)作為復(fù)合離聚物加入到Nafion中作為燃料電池催化層來改善燃料電池的性能,，結(jié)果證明，這種多孔材料可以促進(jìn)三相界面的ORR,，提高Pt的利用率,，實現(xiàn)了低Pt負(fù)載的PEMFCs的高功率密度。

作者以單體2,5-二羥基對苯二甲醛（Dha）和1,3,5-三（4-氨基苯基）苯（Tab）為原料合成了DhaTab-COF（RDT-COF）,，將丙磺酸鈉鹽接枝到RDT-COF的孔壁上,，然后進(jìn)行酸化，得到了SDT-COF,，優(yōu)化了離聚體,，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COF時的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2. 燃料電池性能和耐用性

眾所周知,，質(zhì)子交換膜含水率對質(zhì)子傳導(dǎo)能力有較大影響,，同時也會影響氧氣在質(zhì)子交換膜中溶解擴(kuò)散。作者通過測量質(zhì)子交換膜的動態(tài)水蒸氣吸附等溫線及吸附動力學(xué)性能（BSD-DVS 多站重量法氣體蒸氣吸附儀,，原型號 3H-2000PW）研究了SDT-COF膜的吸濕性能,。與Nafion相比，SDT-COF膜的動態(tài)吸水能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于Nafion膜的吸水能力,。說明在燃料電池工作過程中,，質(zhì)子傳輸通道只有部分會被水分子占據(jù)，氧氣能夠穿透剩余的空間,。作者還在30% RH和60% RH條件下進(jìn)行了燃料電池性能測試,，結(jié)果證明，隨著濕度的降低,，加入SDT-COF后,，電池性能的降低程度逐漸降低,。