【摘 要】
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为了实现碳达峰、碳中和的目标,开发新型清洁能源是未来可持续发展的关键。作为清洁能源转化利用的重要载体,燃料电池技术由于其清洁、高效、功率密度高等特点,已成为传统化石能源动力的理想替代者,其中氢燃料电池技术是当前发展的主流方向。针对当前氢燃料电池存在的成本高、稳定性差的问题,降低电极材料中Pt族金属用量、提高催化活性及结构稳定性是目前氢燃料电池电极催化剂研究的关键。基于纳米多孔金属薄膜具有的独特的超
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为了实现碳达峰、碳中和的目标,开发新型清洁能源是未来可持续发展的关键。作为清洁能源转化利用的重要载体,燃料电池技术由于其清洁、高效、功率密度高等特点,已成为传统化石能源动力的理想替代者,其中氢燃料电池技术是当前发展的主流方向。针对当前氢燃料电池存在的成本高、稳定性差的问题,降低电极材料中Pt族金属用量、提高催化活性及结构稳定性是目前氢燃料电池电极催化剂研究的关键。基于纳米多孔金属薄膜具有的独特的超薄双连续结构所带来的高比表面积、通畅传质的优势,本文以脱合金法制备的纳米多孔金属薄膜作为基底材料构筑了超薄催化层,用于氢燃料电池的阴极,对超薄膜电极中的无离聚物的质子传导机理以及水管理问题展开了详细研究。具体内容如下:（1）利用脱合金的方法制备纳米多孔金薄膜基底,并通过电沉积法制备Pt修饰的纳米多孔金薄膜电极。首先将纳米多孔金薄膜电极作为阴极催化层,通过控制膜电极相对湿度,研究发现无离聚物添加的纳米多孔金薄膜电极中的质子传导对湿度有较强的依赖性,我们认为纳米尺度多孔金的韧带孔道中的质子传导是因为在水化环境中构建了纳米流体通道,其表面会形成纳米级别厚度的水膜,在格罗特斯机制主导下质子在水膜中进行传导。然后又将Pt修饰的纳米多孔金薄膜电极作为阴极催化层,测试了不同电位下的质子电导率,验证了文献中假设的低电位和高电位下存在两种不同的质子传导机制。（2）通过构筑有序化超薄膜电极,优化纳米多孔金属催化剂孔径结构来改善膜电极中的水淹问题。基于简单的等离子处理技术,形成亲疏水交替间隔的独立水气传输通道,由水渗透系数和氧增益电压值测试证明了质量传输效率得到了明显提高,在阴极Pt载量为16μg cm-2的情况下,峰值功率密度高达957 m W cm-2,而商业Pt/C催化剂载量为50μg cm-2,峰值功率密度仅为756 m W cm-2,纳米多孔金属催化剂的质量比功率效率为60 k W g-1,是传统商业Pt/C催化剂的4倍。同时在稳定性及电化学阻抗测试中,有序化的超薄膜电极稳定性也得到明显提升。通过结构优化,构建有序化质量传输充分发挥纳米多孔金属催化剂的结构优势,证明了其巨大的应用价值。
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