Fe-N-C阴极催化层离聚物可控热解对膜电极性能与稳定性的影响研究

作者：王庆鑫; 崔勇; 李蕴琪^*; 卢善富^*; 相艳

来源：Acta Chimica Sinica, 2023, 81(10): 1350-1356.

• 质子交换膜燃料电池
• 非贵金属催化层
• 热处理
• 水淹
• 全氟磺酸离聚物

为了改善M-N-C阴极催化层“水淹”和物质传输效率低的问题,通过对催化层中全氟磺酸离聚物侧链上亲水性磺酸根的可控热解,在催化剂活性位点原位调控亲疏水平衡,优化催化层中质子、水和氧传输效率,构建高效三相反应界面,提升膜电极的输出性能与稳定性.结果表明通过调节热处理温度和时间,可以有效控制催化层离聚物侧链上磺酸根的热解程度.以离聚物和Fe-N-C催化剂质量比(I/C)为0.5的催化层作为模型催化层,在N2气氛下250℃热处理40 min,全氟磺酸离聚物中磺酸根分解比例为16.3%,催化层疏水性显著提升,表面水接触角由113°增加至134°,同时催化层保持了较高的离子传导能力,对应的膜电极输出性能最佳,峰值功率密度达到359.7 m W·cm-2,较热处理前膜电极性能提升了38%.在0.4 V恒压条件下测得热处理后催化层的物质传输电阻为242.48 mΩ·cm2,较热处理前下降了29.8%.由热处理40 min催化层组装的电池性能衰减缓慢,可以稳定运行至少100 h.本研究工作探究了催化层中离聚物部分可控热解对提升M-N-C非贵金属膜电极燃料电池性能和稳定性的可行性.

• 出版日期2023
• 单位北京航空航天大学