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为解决质子交换膜燃料电池（PEMFC）因氧气传输阻力大、铂用量高导致成本高的问题，研究人员开展含二氧戊环全氟磺酸离聚物当量重量对 PEMFC 性能影响的研究。结果显示优化当量重量可提升电池性能，为 PEMFC 发展提供新思路。
在当今能源领域，氢能源作为应对全球能源需求增长、气候变化和环境污染问题的重要解决方案，备受瞩目。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为氢能利用的关键技术，能将氢气中的化学能直接转化为电能，已广泛应用于交通和固定电源领域，像丰田推出的 Mirai 燃料电池汽车。然而，PEMFC 的大规模应用却受到关键材料成本高的制约，其中膜电解质和铂基催化剂价格昂贵，使得 PEMFC 成本居高不下。
为降低成本，提高 PEMFC 的运行电流密度从而减少昂贵材料的使用成为关键。在 PEMFC 技术中，全氟磺酸（PFSA）离聚物常用于增强催化剂层的质子传导性和稳定性，但它会在催化剂表面形成薄膜，增加氧气传输阻力，导致严重的浓度极化，尤其在低铂负载的情况下，极大地限制了 PEMFC 在高电流密度下的运行。而且，PFSA 上磺酸基团与铂的相互作用会减少电催化活性位点，进一步影响电池性能。因此，开发低氧传输阻力的阴极催化剂层对高性能、低铂负载的 PEMFC 至关重要。
此前，虽有多种策略尝试解决这一问题，如通过结构优化构建氧气传输通道或设计不同组成的催化剂层，但都存在各自的弊端。而含氟二氧戊环段修饰的 PFSA 离聚物，因其刚性二氧戊环能促进氧气渗透，磺酸基团可提供质子传导性，聚四氟乙烯主链能保证电化学稳定性，在阴极催化剂层有应用潜力。不过，这类离聚物的结构与性能关系、对铂负载的影响及详细的氧气传输行为仍有待深入研究。
在此背景下，国内研究人员针对这一难题展开研究。他们合成了不同当量重量（即二氧戊环段与全氟磺酸基团比例不同）的含二氧戊环高透氧全氟磺酸离聚物，并研究其对 PEMFC 性能的影响。研究发现，调整离聚物的当量重量，即改变二氧戊环段（PDD）和全氟 - 3,6 - 二氧杂 - 4 - 甲基 - 7 - 辛烯磺酰氟（PSVE）段的比例，会影响铂催化剂对氧还原反应的电催化活性。当使用优化结构的离聚物作为催化剂粘合剂和质子导体，且阳极和阴极的铂负载量均为 0.125 mg/cm2 时，组装的 PEMFC 在电流密度高于 3000 mA/cm2 时，浓度极化现象明显减轻，相比使用 Nafion 离聚物组装的电池，在 2900 mA/cm2 时峰值功率密度提高了 166 mW/cm2 。这一研究成果为 PEMFC 阴极催化剂层的优化设计提供了重要依据，有助于推动 PEMFC 向高性能、低成本方向发展，对促进氢能的广泛应用具有重要意义，该论文发表在《Fuel》上。
研究人员在实验过程中主要采用了自由基聚合技术，通过调整两种单体 PDD 和 PSVE 的摩尔比，成功合成目标离聚物。同时运用了分子动力学模拟和实验测试相结合的方法，验证离聚物的性能。
结果与讨论
研究人员通过自由基聚合反应，利用全氟引发剂，调整 PDD 和 PSVE 两种单体的摩尔比，成功合成了含有不同二氧戊环段含量的目标离聚物。从离聚物的化学结构来看，PDD 段中的环状二氧戊环部分，能够构建三维疏水基质，防止聚合物链堆积，增加膜的自由体积，从而促进氧气传输；而 PSVE 段中的磺酸基团则负责提供质子传导性。研究表明，随着二氧戊环段比例的增加，催化剂层的氧气渗透能力增强，但质子传导性会有所下降。经过对合成离聚物当量重量的优化，相应组装的 PEMFC 在使用氢气和空气作为反应气体时，展现出更优的性能，有效抑制了浓度极化，提升了峰值功率密度。
结论
研究人员通过调整二氧戊环段和全氟磺酸基团的比例，成功合成了不同当量重量的含二氧戊环高透氧全氟磺酸离聚物。刚性二氧戊环段的引入，使离聚物链结构相对松散，增强了氧气分子的渗透能力。这不仅影响了 Pt/C 催化剂对氧还原反应的电催化活性，而且优化后的离聚物应用于 PEMFC，显著改善了电池性能，为高性能 PEMFC 的发展开辟了新途径。
综上所述，该研究深入探讨了含二氧戊环全氟磺酸离聚物当量重量与 PEMFC 性能之间的关系，为解决 PEMFC 面临的关键问题提供了切实可行的方案，对推动质子交换膜燃料电池技术的进步和氢能的广泛应用具有重要的理论和实践意义。
