北京理工大學(xué)李煜景研究員課題組在用于質(zhì)子交換膜燃料電池的超低鉑載量半有序催化劑層研究中取得進(jìn)展。相關(guān)成果以“Semi-ordered catalyst layer with ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells”為題，在國(guó)際期刊《JOURNAL OF POWER SOURCES》IF=8.1上發(fā)表，提出了一種半有序催化劑層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)顯著降低了質(zhì)量傳遞阻力，同時(shí)增強(qiáng)了H+傳遞。具有固有內(nèi)部空隙的有序微陣列（OMA）在催化劑層內(nèi)建立了垂直通道，并優(yōu)化了質(zhì)子和氧的傳輸路徑。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）鉑族金屬（PGM）負(fù)載的減少，對(duì)氫能大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。催化劑層的結(jié)構(gòu)排序被認(rèn)為是提高發(fā)電性能并因此降低PGM負(fù)載的重要手段?？紤]到鉑金昂貴和稀有，降低 Pt 用量一直是催化劑研究主要方向。

為了探索解決這個(gè)問(wèn)題，李煜景研究員課題組應(yīng)用武漢電弛新能源有限公司研制的DC980桌面式燃料電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低負(fù)載（0.05-0.1 mgPt cm-2）下表現(xiàn)出24%的MEA性能顯著提高，并具有更低的氧傳輸阻力。多物理場(chǎng)建模證明了半有序催化劑層中的垂直孔道在催化劑層中的質(zhì)量傳遞中的作用，同時(shí)進(jìn)一步降低Pt負(fù)載，同時(shí)保持燃料電池的高性能。

在實(shí)驗(yàn)中，首先采用氧化鋁模板制備了一側(cè)具有OMA表面的Nafion膜，表面有著簇狀陣列，結(jié)構(gòu)有著較好的穩(wěn)定性。

隨后采用催化劑涂層膜工藝（CCM）制成膜電極，其中OMA側(cè)用作陰極，形成了半有序催化層。為防止噴涂過(guò)程中對(duì)陣列的破壞，催化劑墨水采用高固體含量比。

為驗(yàn)證OMA的效果，與標(biāo)準(zhǔn)商用XL膜進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在不同濕度下，XL-OMA表現(xiàn)出了更高的電化學(xué)比表面積（ECSA）。同時(shí)在較低的Pt負(fù)載量下，XL-OMA表現(xiàn)出了更低的與壓力無(wú)關(guān)的02輸運(yùn)阻力，對(duì)OMA的氧氣運(yùn)輸表現(xiàn)出了積極影響，并且超低Pt負(fù)載，對(duì)質(zhì)量傳遞也起到了積極作用。

隨后，通過(guò)電化學(xué)測(cè)試，評(píng)估了不同Pt載量下半有序催化劑層和傳統(tǒng)平面催化劑層的PEMFC性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)平面催化劑層相比，半有序催化劑層在超低Pt載量（0.05–0.1 mg Pt cm^-2）下表現(xiàn)出顯著降低的氧氣傳輸阻力和顯著提高的MEA性能（提升24%）。

為了更深入地理解半有序催化劑層中垂直通道對(duì)燃料電池性能的影響，實(shí)驗(yàn)還采用了多物理場(chǎng)建模方法。通過(guò)COMSOL Multiphysics平臺(tái)模擬了不同催化劑層結(jié)構(gòu)下的燃料電池性能，并比較了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和半有序結(jié)構(gòu)之間的差異。模擬結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了半有序催化劑層在降低質(zhì)量傳輸阻力和提高質(zhì)子傳導(dǎo)效率方面的優(yōu)勢(shì)。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了半有序催化劑層在PEMFC中的性能。該設(shè)計(jì)不僅顯著降低了Pt載量，還提高了燃料電池的效率和耐久性。未來(lái)，隨著材料科學(xué)和納米技術(shù)的不斷進(jìn)步，有望進(jìn)一步優(yōu)化半有序催化劑層的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升PEMFC的性能和降低成本，推動(dòng)其在清潔能源領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。