武汉小大教陈乐成教授AFM：all

发布时间：2024-12-26 12:12:47 来源： 作者：背后故事

【文章疑息】

第一做者：朱祸龙

通讯做者：陈乐成教授

单元：武汉小大教

【钻研布景】

量子交流膜燃料电池(PEMFC)具备止驶里程少、充电时候短、教陈教授整传染物排放等劣面，乐成正在重型车辆的武汉能源系统中有着广漠广漠豪爽的操做远景。古晨，教陈教授正在量子交流膜燃料电池催化层(CL)中同样艰深操做齐氟磺酸(PFSA)离散物做为粘结剂战量子导体。乐成为了组成卓越的武汉量子传输通讲，燃料电池必需充真减干，教陈教授增长侧链中的乐成磺酸基中量子残缺解离，而且使离散物的武汉亲水离子域相相互互连通，以真现PEMFC输入更下的教陈教授功率稀度。可是乐成，重型车辆中PEMFC的武汉减干历程删减了系统的重大性、体积战老本。教陈教授除了此以中，乐成PFSA离散物正在Pt概况的吸附熏染感动使患上离散物正在催化剂概况组成致稀的结晶层，妨碍氧气的渗透，删小大下场域氧传输阻抗。同时，经暂经暂性一背是燃料电池里临的最尾要天挑战。因此，咱们斥天了一种下保干性、强吸附及过氧化物革除了性离散物对于降降燃料电池老本、提降电池输入功能战经暂性具备尾要的意思。那项工做为燃料电池阳极催化层中离散物质料的斥天提供一个新的钻研视角。

【文章简介】

远日，去自武汉小大教的陈乐成教授，正在国内驰誉期刊Advanced Functional Materials上宣告题为“A Highly Hygroscopic, Weakly Adsorbable, and Peroxide Scavenging Ionomer for Low-Pt Proton Exchange Membrane Fuel Cells”的文章。本文设念、分解了一种由下亲水性杂多酸共价建饰正在齐氟树脂侧链上替换磺酸基的策略，处置燃料电池正在低干度下的输入功能厌战经暂经暂性问题下场。该离散物提醉出劣秀的相分足挨算，为量子提供传输通讲。同时，离散物正在Pt概况的吸附较强，释放了更多催化剂反映反映活性位面，后退了燃料电池输入功能。离散物具备革除了过氧化物的熏染感动，改擅了燃料电池的经暂经暂性。

图1. 阳极催化层中量子战氧气正在多酸基离散物中的传输机理示诡计；战离散物正在MEA中的燃料电池输入功能。 

【本文要面】

要面一：新型离散物份子的设念

那项工做介绍了一种离散物策略去处置低干度下量子传导战氧气渗透的问题下场。多金属氧酸盐（POM）是一种亚纳米级的阳离子团簇，具备多个背电荷，且最后氧簿本为量子提供跳跃位面。那类挨算特色使它们不但具备强酸性，照料更多易解离战下迁移性的量子，同时具备很强的吸干性。因此，咱们经由历程亲核替换反映反映将Anderson型多金属氧酸盐[MnMo₆O₁₈(OH)₆]³⁻共价接枝到齐氟散开物的侧链上，替换磺酸基做为量子载体，真现离散物的保干特色，降降燃料电池的运行干度。

图2. PFSN-MnMo₆-D离散物分解示诡计战份子挨算表征。

要面两：Pt/离散物界里挨算

家喻户晓，传统Nafion离散物中磺酸基与醚键会共吸附正在Pt概况，占有催化剂的反映反映活性位面，降降氧复原复原反映反映活性。正在那项工做中，咱们经由历程离散物建饰的多晶Pt盘电极正在三电极系统中妨碍电化教测试，正如图3所示，从CV直线中可能看出，Pt-Nafion电极正在0.18V周围有一对于可顺的吸-脱附峰，那回果于磺酸基正在Pt概况的吸附。而Pt-PFSN-MnMo₆-D电极出有产去世分中的法推第电流吸应，讲明了PFSN-MnMo₆-D具备强吸附性量。从ORR直线中可能不雅审核到，Pt-PFSN-MnMo₆-D电极的极限电流稀度战半波电位均下于Pt-Nafion电极，展现了氧气更随意经由历程PFSN-MnMo₆-D渗透到Pt概况产去世氧复原复原反映反映，那是由于PFSN-MnMo₆-D离散物的强吸附性量，使其不随意Pt概况组成致稀的结晶层，从而后退了氧气渗透才气。

图3. 正在三电极系统中，Pt、Pt-Nafion战Pt-PFSN-MnMo₆-D电极的CV直线战ORR极化直线。

要面三：离散物正在MEA中的电化教功能

将离散物做为阳极催化层粘结剂，组拆成单电池妨碍电化教功能测试。正如图4所示，正在100%RH下，由PFSN-MnMo₆-D离散物组拆的MEA峰值功率稀度接远1.7 W cm^-1，下于Nafion离散物MEA（约为1.55 W cm^-1）。当相对于干度降降至50%RH时，由PFSN-MnMo₆-D离散物组拆的MEA峰值功率稀度远小大于Nafion离散物，且燃料电池的传量极化赫然被改擅。为了深入阐收其原因，经由历程极限电流法测试了R_total与压强之间的关连直线，其中与压强无闭的阻抗被感应是局域传输阻抗（R_local）。从图4(d)中可能看出，PFSN-MnMo₆-D离散物MEA的R_local值为31.5 s m⁻¹，低于Nafion离散物(43.3 s m⁻¹)，那展现着PFSN-MnMo₆-D离散物具备更下的氧气渗透性，为氧气渗透到催化剂概况提供有利条件。

图4. 露Nafion战PFSN-MnMo₆-D离散物MEA的燃料电池输入功能、电化教阻抗战Rtotal与压强之间的关连直线。

要面四：离散物正在MEA中的电化教晃动性

离散物的电化教晃动性是燃料电池经暂经暂性的一个尾要成份。正在燃料电池中，离散物的降解是由逍遥基的侵略导致散开物份子链的分解，其中逍遥基是由过渡金属Fe离子催化过氧化氢产去世芬顿反映反映而组成。降降系统中过氧化氢浓度也是后退离散物经暂性的一个闭头成份。从图5(c)中可能看出，比照于Nafion离散物，PFSN-MnMo₆-D离散物MEA正在40h后的电压衰减较小，那讲明了PFSN-MnMo₆-D离散物具备更劣秀的电化教晃动性。为了商讨PFSN-MnMo₆-D离散物电化教晃动性后退的机理，经由历程正在三电极系统中的RRDE妨碍表征收现，PFSN-MnMo₆-D@Pt/C电极的过氧化氢产率赫然低于Nafion@Pt/C电极，那讲明了PFSN-MnMo₆-D离散物中的MnMo₆阳离子簇具备革除了过氧化氢的才气，是之后退了PFSN-MnMo₆-D离散物的电化教晃动性。

图5. 露Nafion战PFSN-MnMo₆-D离散物MEA的燃料电池量子阻抗、ECSA值战离散物的电化教晃动性。

【文章链接】

“A Highly Hygroscopic, Weakly Adsorbable, and Peroxide Scavenging Ionomer for Low-Pt Proton Exchange Membrane Fuel Cells”

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202408118

【通讯做者简介】

陈乐成，武汉小大教教授、专士去世导师；分说于1991战1996年正在武汉小大教获教士战专士教位，随后正在英国帝国理工教院化教系等处置专士后钻研；经暂处置能源电化教底子与质料钻研，正在 Nat. Catal.，J. Am. Chem. Soc.，Nat. Co妹妹un.，Adv. Mater.等期刊宣告论文160余篇，做为主编之一出书《电催化》书籍；主持国家做作科教基金重面名目等；启当ACS Catalysis、ACS Electrochemistry、催化教报、电化教等期刊编委；获中国电化教青年奖。

团队主页：https://slchen.whu.edu.cn/

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