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            多站重量法氣體蒸氣吸附儀助力北理工王博團隊在《Science》發(fā)表新成果:高性能燃料電池用共價有機框架基多孔離聚物

            多站重量法氣體蒸氣吸附儀助力北理工王博團隊在《Science》發(fā)表新成果:高性能燃料電池用共價有機框架基多孔離聚物
            貝士德  2022-10-31  |  閱讀:1463

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            氫燃料電池因為清潔無污染和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點而受到廣泛關(guān)注。膜電極(MEA)作為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFCs)的關(guān)鍵部件,對質(zhì)子交換膜燃料電池的性能起著決定性作用。在膜電極組件(MEA)的催化劑層(CL)中,ORR發(fā)生在氧-水-催化劑的三相界面上。離聚物是質(zhì)子交換膜和Pt催化劑中質(zhì)子電流位點之間的質(zhì)子導(dǎo)電連接,在PEMFCs中主導(dǎo)著三相微環(huán)境。目前,全氟磺酸聚合物(PFSA,或Nafion)是應(yīng)用最廣泛的離聚物。然而,PFSA使用在燃料電池中存在鉑催化劑利用率低、反應(yīng)速度慢等問題。

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            圖1. 燃料電池中Pt/C@COF-Nafion催化層及其作用機理圖

            近日,北京理工大學(xué)王博、馮霄帶領(lǐng)的研究團隊在《Science》期刊發(fā)表的題為“Covalent organic framework-based porous ionomers for high-performance fuel cells”的成果中設(shè)計了一種將磺酸功能化的DhaTab-COF(SDT-COF)作為復(fù)合離聚物加入到Nafion中作為燃料電池催化層來改善燃料電池的性能,結(jié)果證明,這種多孔材料可以促進三相界面的ORR,提高Pt的利用率,實現(xiàn)了低Pt負載的PEMFCs的高功率密度。

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            作者以單體2,5-二羥基對苯二甲醛(Dha)和1,3,5-三(4-氨基苯基)苯(Tab)為原料合成了DhaTab-COF(RDT-COF),將丙磺酸鈉鹽接枝到RDT-COF的孔壁上,然后進行酸化,得到了SDT-COF,優(yōu)化了離聚體,從而定制三相微環(huán)境。COF的六邊形孔改善了氣體傳輸,固定在孔壁上的磺酸基團減少了與鉑的結(jié)合,從而抑制了其活性。2.8至4.1納米的介孔孔徑和附加的磺酸鹽基團能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)子轉(zhuǎn)移并促進氧氣滲透。Pt的質(zhì)量活度和含Pt/Vulcan的燃料電池的峰值功率密度(陰極中每平方厘米0.07 mg Pt)均達到無COF時的1.6倍。該策略適用于不同鉑負載量和不同商用催化劑的催化劑層。

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            圖2. 燃料電池性能和耐用性

            眾所周知,質(zhì)子交換膜含水率對質(zhì)子傳導(dǎo)能力有較大影響,同時也會影響氧氣在質(zhì)子交換膜中溶解擴散。作者通過測量質(zhì)子交換膜的動態(tài)水蒸氣吸附等溫線及吸附動力學(xué)性能(BSD-DVS 多站重量法氣體蒸氣吸附儀,原型號 3H-2000PW)研究了SDT-COF膜的吸濕性能。與Nafion相比,SDT-COF膜的動態(tài)吸水能力遠遠低于Nafion膜的吸水能力。說明在燃料電池工作過程中,質(zhì)子傳輸通道只有部分會被水分子占據(jù),氧氣能夠穿透剩余的空間。作者還在30% RH和60% RH條件下進行了燃料電池性能測試,結(jié)果證明,隨著濕度的降低,加入SDT-COF后,電池性能的降低程度逐漸降低。

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            3. 質(zhì)子交換膜吸濕性能評價-吸附等溫線、吸附動力學(xué)曲線


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