高性能质子交换膜燃料电池复合催化剂层中的协同碳支撑工程

《Carbon Energy》：Synergistic Carbon Support Engineering in Composite Catalyst Layer for High-Performance PEM Fuel Cells

质子交换膜燃料电池催化剂层采用Pt/V与Pt/KB复合结构，优化离子omer梯度设计，在低湿度下提升氧传输效率和铂利用率，实验显示复合CCL功率密度达1.03 W/cm2，优于单一催化剂层。

　　本研究提出了一种创新的复合阴极催化剂层（CCL）设计，旨在解决质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的质量传输限制和离子膜诱导的催化剂中毒问题。该设计结合了铂负载在Vulcan碳（Pt/V）和Ketjenblack碳（Pt/KB）上，通过科学的材料布局和离子膜梯度调控，优化了催化剂的使用效率与反应物的传输性能。研究发现，将Pt/V层以较低的离子膜与碳比例（I/C = 0.6）靠近质子交换膜（PEM），可以提升铂表面的可及性与氧气传输效率；而将Pt/KB层以较高的I/C比例（I/C = 0.9）靠近气体扩散层（GDL），则能有效防止铂因磺酸基团的中毒作用而失去活性，并在低湿度条件下提升质子传导性能。这种协同的碳支持工程策略，成功地在反应物的可及性与催化剂的利用效率之间建立了平衡，从而显著提升了电池的功率密度、降低了传输阻力，并在干燥条件下实现了更高的铂利用率。

燃料电池作为清洁能源技术的重要组成部分，近年来因其高效率和低排放特性受到广泛关注。随着全球对可再生能源的迫切需求，燃料电池在交通和固定电源等领域的应用潜力日益凸显。然而，要实现燃料电池的大规模商业化，仍面临诸多挑战，包括成本高、性能退化以及耐久性差等问题。其中，催化剂层作为燃料电池的核心部件，其结构和性能直接影响电池的整体效率和稳定性。因此，如何优化催化剂层的结构和材料选择，成为推动燃料电池技术发展的关键课题。

在催化剂层中，碳支持材料不仅是电催化剂的载体，还通过其孔隙结构影响反应物和产物的传输路径。而离子膜则在质子传导和整体电化学反应中起到至关重要的作用。研究表明，碳支持材料的比表面积、孔隙结构、导电性和界面特性对催化剂层的质量传输性能有显著影响。高比表面积的碳支持材料可以提供更多的催化位点，从而提升反应物与活性位点的接触机会。然而，与Vulcan碳相比，Ketjenblack碳的内部铂纳米颗粒由于孔隙结构的限制，可能无法有效接触质子和氧气，导致传输效率降低。

此外，离子膜在质子传导过程中也扮演着重要角色。虽然离子膜具有良好的质子传导能力和化学稳定性，但其性能受水含量的显著影响。在高湿度条件下，离子膜能够有效保留水分，从而促进质子传导；而在低湿度条件下，水分不足可能导致局部区域出现干涸，进而降低质子传导效率。同时，离子膜可能通过某些机制如中毒效应，影响催化剂的性能。因此，优化催化剂层中离子膜与碳支持材料的比例及其相互作用，是提升燃料电池性能的关键手段之一。

在本研究中，我们通过引入Pt/V和Pt/KB两种碳支持材料，并结合不同的I/C比例，构建了一种新型的复合催化剂层。这种设计不仅提升了催化剂的利用效率，还改善了反应物和产物的传输性能。具体而言，Pt/V层靠近质子交换膜，其较低的I/C比例有助于提高铂的可及性，并增强氧气和质子的传输效率。而Pt/KB层靠近气体扩散层，其较高的I/C比例则有助于提升质子传导能力，并通过其多孔结构有效防止铂的中毒效应。这种结构设计成功地在不同区域实现了反应物传输与催化剂活性之间的平衡，从而显著提升了燃料电池的整体性能。

为了验证这一设计的有效性，研究采用了多种实验手段，包括扫描电子显微镜（SEM）观察催化剂层的微观结构，X射线显微镜（XRM）可视化催化剂层的孔隙分布，以及BET分析测量催化剂粉末的比表面积。同时，通过原位电化学诊断技术，如CO剥离伏安法、CO位移恒电流法和H?传输阻抗测试，对催化剂层的性能进行了全面评估。这些测试不仅能够量化催化剂的利用率，还能揭示离子膜对铂表面活性的影响。

研究还通过模拟手段对燃料电池的整体性能进行了进一步分析。使用COMSOL Multiphysics软件构建了包含气体扩散层、气体扩散电极、质子交换膜和流道的模型，以评估催化剂层在不同湿度条件下的性能表现。模拟结果表明，复合催化剂层在高电流密度（HCD）条件下表现出优异的功率密度和较低的传输阻力，特别是在低湿度条件下，其性能显著优于传统的Pt/V和Pt/KB催化剂层。这主要得益于复合结构中不同区域的I/C比例差异，以及碳支持材料的多孔特性对质子和氧气传输的促进作用。

进一步的分析显示，复合催化剂层在质子传导和氧气传输方面均表现出明显的优势。在质子传导方面，通过EIS分析发现，复合催化剂层的H?传输阻抗显著低于单独使用Pt/V或Pt/KB的催化剂层。这表明，通过合理调控离子膜和碳支持材料的比例，可以有效降低质子传输阻力，提升质子传导效率。而在氧气传输方面，通过CO位移恒电流法和极限电流测试，发现复合催化剂层在氧气传输阻力方面表现出与Pt/V催化剂层相似的性能，而与Pt/KB催化剂层相比，其氧气传输效率更高。这主要归因于Pt/V层在靠近质子交换膜区域的高铂可及性，以及Pt/KB层在靠近气体扩散层区域的高离子膜覆盖，从而形成了更有效的氧气传输通道。

此外，研究还通过燃料电池单细胞模拟，进一步探讨了催化剂层在不同湿度条件下的性能表现。模拟结果显示，复合催化剂层在低湿度条件下能够有效维持氧气和质子的浓度梯度，从而提升反应物的传输效率。同时，模拟还揭示了离子膜在不同区域的分布对质子和氧气传输的综合影响。这种结构设计不仅提升了催化剂的利用率，还优化了燃料电池的整体性能，为高功率、高效率的燃料电池提供了新的解决方案。

本研究的创新之处在于，通过结合两种不同碳支持材料的优势，构建了具有梯度结构的复合催化剂层。这一设计不仅提升了铂的利用率，还优化了燃料电池在不同湿度条件下的性能表现。与传统催化剂层相比，复合催化剂层在高电流密度条件下表现出更高的功率密度和更低的传输阻力，显示出在实际应用中的巨大潜力。同时，该设计还通过合理的离子膜分布和碳支持材料结构，实现了对催化剂中毒效应的有效抑制，为燃料电池的长期稳定运行提供了保障。

总体而言，本研究为低铂催化剂层的设计提供了一种新的思路，即通过碳支持材料的合理选择与离子膜梯度调控，实现反应物传输与催化剂活性之间的平衡。这种设计不仅能够提升燃料电池的性能，还为燃料电池在能源关键领域的应用提供了可行的技术方案。研究结果表明，通过这种结构设计，可以显著改善燃料电池在低湿度条件下的运行效率，并降低催化剂的中毒风险，为未来燃料电池的发展奠定了坚实的基础。