用于高效质子交换膜燃料电池的库仑表面偶极捕获离聚物

《Nature Communications》：Coulombic surface dipole trapping ionomer for efficient proton exchange membrane fuel cells

　　

摘要

均匀的离聚物分布和受控的磺酸根吸附对于低铂载量质子交换膜燃料电池膜电极组件（MEA）至关重要，尤其是在高电流密度下。在传统 Pt/C 催化剂中，Pt 和碳表面的差异促进了磺酸根在 Pt 上的吸附和离聚物在碳上的聚集，从而限制了质子和氧气的传输。在此，我们表明覆盖 Pt/C 的单 Co 原子偶极层（SCDC-Pt）通过带正电的 Co 位点与磺酸根基团之间的静电吸引力来调控催化剂 - 离聚物界面。所得 MEA 在经历 30,000 次方波循环后，在 0.8 A cm^?2 下表现出 1.4 W cm^?2 的峰值功率密度，且损失仅为 26 mV；而在相同条件下，商用 Pt/C 的峰值功率密度为 0.86 W cm^?2，损失为 75 mV。工况表征和模拟表明，表面偶极子促进了更均匀的离聚物分布，抑制了 Pt 的磺酸根中毒，并稳定了 Pt 结构。电化学诊断显示，其表观磺酸根覆盖率（ ~ 8%）和局部 O₂传输阻力（38.6 S m^?1）均低于商用 Pt/C（ ~ 20% 和 48.1 S m^?1）。