PBO基碳微纳米纤维纸作为燃料电池催化剂载体的创新研究：氮掺杂提升ORR活性与自支撑结构设计

本文创新性地采用PBO（聚苯并噁唑）纤维为前驱体，通过碳化活化制备自支撑三维催化剂层，解决了传统喷涂法导致的催化剂分布不均问题。研究证实氮掺杂使活性炭纸比表面积提升32.3%，700℃热还原形成的Pt颗粒平均粒径仅2.2nm，其Tafel斜率低至87.1mV·dec-1，为质子交换膜燃料电池（PEMFC）高性能催化剂层开发提供了新策略。

　　

Highlight

本研究通过机械fibrillation（原纤化）处理的PBO纤维制备自支撑活性炭纸，采用CO₂活化和氮掺杂双重改性，显著提升氧还原反应（ORR）活性。

Experimental material

实验材料：日本东洋纺株式会社生产的PBO短纤维（型号Zylon AS，长度6mm），六水合氯铂酸（Aladdin试剂），纯度99%的二氰二胺。

Preparation of self-supported catalytic layers

如图1所示，先将PBO短纤维机械fibrillation处理，剥离出大量微细纤维。通过湿法成型和高温碳化获得多孔碳纸，再经CO₂活化及氮掺杂改性，最终采用热还原法在700℃下原位生成Pt催化剂。

Microstructure of self-supported activated carbon paper

SEM分析显示：打浆度45°SR的PBO纤维（含36.0%微细纤维）所制活性炭纸，其三维孔隙结构更发达（图2）。氮掺杂使材料拉伸应变提升25.4%，但会轻微破坏碳骨架导致拉伸应力下降。

Conclusions

创新点总结：

1. 1.

   原位生长的2.2nm铂颗粒与氮掺杂活性炭纸协同作用，使Tafel斜率降至87.1mV·dec^-1

2. 2.

   自支撑结构避免了传统喷涂法的催化剂团聚问题

3. 3.

   该策略为质子交换膜燃料电池（PEMFC）高性能催化剂层设计开辟了新途径