近日，中國科學院大連化學物理研究所燃料電池系統科學與工程研究中心研究員侯明、研究員邵志剛團隊與美國紐約州立大學布法羅分校教授武剛團隊合作，在質子交換膜燃料電池低鉑膜電極研究方面取得新進展，設計并制備了具有仿生結構的低鉑納米纖維電極，該電極顯著提高了燃料電池水管理能力和電極穩定性。
具有仿生結構的低鉑納米纖維電極可顯著提高燃料電池水管理能力和電極穩定性
質子交換膜燃料電池具有能量轉化效率高、低溫啟動速度快、環境友好等優點，是清潔能源技術的研究熱點。膜電極是燃料電池的核心部件，是實現化學能-電能轉換的場所。但是，傳統膜電極的鉑用量高、穩定性差等因素限制了燃料電池的商業化應用。
合作團隊在前期低鉑膜電極工作（Nano Energy，2017；J. Mater. Chem. A，2018；J. Mater. Chem. A，2018；Sustainable Energy Fuels，2020；J. Mater. Chem. A，2020）的基礎上，制備了具有仿生結構的自支撐式的納米槽（nanotrough）催化層，并將其作為質子交換膜燃料電池的陰極。該研究首次通過環境掃描電鏡在線觀察到燃料電池的產物水在納米槽電極和傳統Pt/C電極中的形成和輸運過程，證明了該電極具有與禾本科植物類似的排水機制，驗證了納米槽電極優異的水管理能力。此外，在鉑擔量為42 g/cm2時，納米槽電極的陰極質量比功率密度達到22.26W mg/Pt，是傳統Pt/C電極的1.27倍。低鉑納米槽電極在加速衰減實驗過程中表現出良好的穩定性，克服了傳統Pt/C電極所面臨的Pt納米顆粒的老化、碳載體腐蝕及聚合物離子導體的失效，以及由此產生的催化層結構坍塌等問題。該研究為膜電極結構設計提供了一條新思路。
相關研究成果以“Free-standing and Ionomer-free 3D Platinum Nanotrough Fiber Network Electrode for Proton Exchange Membrane Fuel Cells”為題，于近日發表在《應用催化B：環境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。該工作的第一作者是大連化物所2018級博士研究生齊滿滿和紐約州立大學布法羅分校博士后曾亞超。上述工作得到國家重點研發計劃項目、遼寧省興遼英才計劃、國家自然科學基金青年基金等項目的資助。
