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多孔碳材料在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用
質(zhì)子交換膜燃料電池(氫氣燃料電池)的膜電極(MEA)主要由4部分材料構(gòu)成:質(zhì)子交換膜、催化劑層、微孔層和氣體擴(kuò)散層。MEA是質(zhì)子交換膜燃料電池(氫氣燃料電池)的核心,是氫氣和氧氣(來(lái)自空氣)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流的場(chǎng)所。
納米多孔碳支架(Nanoporous Carbon Scaffolds,NCS)薄膜是一種新型碳材料,具有較好的導(dǎo)電性,結(jié)構(gòu)有序,孔徑可調(diào),易于加工。NCS薄膜可以用來(lái)制備燃料電池的催化劑層和微孔層,并將二者合二為一。該工藝不但可以解決上述傳統(tǒng)方法的工藝繁瑣、成本高等問題,還提高了催化效率,減少了鉑催化劑的使用量,改善了MEA產(chǎn)品的穩(wěn)定性和壽命
碳材料的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:
(1) 生產(chǎn)工藝
氫氣燃料電池所用的催化劑是3-5納米鉑納米顆粒,因?yàn)殂K納米顆粒尺寸小、表面能高,非常容易團(tuán)聚,因此制備粒徑均一、分散均勻的催化劑非常困難。由于NCS內(nèi)部是三維貫通的有序孔道結(jié)構(gòu),可以將鉑納米顆粒的制備和負(fù)載簡(jiǎn)化為一步完成。采取溶液浸漬原位還原的辦法可以在NCS的孔洞內(nèi)制備鉑納米顆粒,同時(shí)實(shí)現(xiàn)均勻負(fù)載,簡(jiǎn)化催化劑的制備和負(fù)載工藝。
(2) 改善性能
傳統(tǒng)MEA中使用的催化劑是將鉑納米顆粒負(fù)載在活性炭上的,加上粘結(jié)劑后噴涂在質(zhì)子交換膜兩側(cè),活性炭顆粒之間的縫隙是微米級(jí),反應(yīng)物從活性炭顆粒之間經(jīng)過時(shí)被催化的幾率并不高。由于NCS是一整張膜,反應(yīng)物只能從其負(fù)載催化劑的納米孔道內(nèi)通過,因此催化效率高。
(3) 改善壽命
相比于孔洞的直徑,NCS中的孔和孔之間連接孔較小,催化劑負(fù)載后被限制在孔洞內(nèi),不易團(tuán)聚,同時(shí)孔道內(nèi)有化學(xué)修飾了大量羥基,增加了載體和鉑納米顆粒的鍵合力,明顯提高催化劑壽命。
(4) 減少鉑用量
由于NCS的孔道是規(guī)則有序的,鉑納米顆粒可以在NCS的孔道內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻負(fù)載,因此可以減少鉑用量。
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