研究顯示,在100°C至120°C下工作的中溫質(zhì)子交換膜燃料電池 (MT PEMFCs) 能夠改善動(dòng)力學(xué)和簡(jiǎn)化熱管理/水管理,并拓寬了燃料耐受性,但高溫會(huì)導(dǎo)致Nafion離子聚合物脫水并加劇氣體運(yùn)輸限制。因此,PEMFCs的工作溫度通常低于100℃,不同溫度的性能差異導(dǎo)致了現(xiàn)有PEMFCs進(jìn)一步發(fā)展面臨諸多問(wèn)題。值得注意的是,超嗜熱菌是一種能夠在80°C至125°C的極熱環(huán)境中存在的生物,并且能夠進(jìn)行呼吸并產(chǎn)生能量,類(lèi)似于MT PEMFCs的運(yùn)行要求。
在此,北京理工大學(xué)王博教授和馮霄教授(通訊作者)受超嗜熱菌的啟發(fā),通過(guò)與Nafion交織的共價(jià)有機(jī)框架(COF)可以實(shí)現(xiàn)更高的工作溫度,從而提高氫空氣PEMFCs的功率密度。作者合成了一種α-氨基酮連接的COF(Am-COF),并將它們與 Nafion(Am-COF/Nafion)交織在一起,為 MT PEMFC 創(chuàng)造了“透氣”質(zhì)子導(dǎo)體,其氫鍵位點(diǎn)可在高溫下保留水分,大孔隙可改善氧氣運(yùn)輸。添加此COF后,商業(yè)化Pt/C陰極在105℃下的額定功率密度提高了近90%。
與Nafion或COF中的磺酸基團(tuán)相比,密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明,COF 相鄰層中相鄰的羰基(C=O)基團(tuán)可以同時(shí)與水進(jìn)行分子間氫鍵合,從而顯著提高保水能力。值得注意的是,與基于Nafion的催化劑層(CL)不同,含Am-COF 的CL中的質(zhì)子電導(dǎo)率不會(huì)突然下降,而是在工作溫度>100°C時(shí)增加,從而確保質(zhì)子傳導(dǎo)不間斷。此外,開(kāi)放式框架離聚物增強(qiáng)的保水性和多孔孔徑降低了 CL中的氧傳輸阻力。在105°C時(shí),具有Am-COF的MEA在0.67 V時(shí)達(dá)到峰值和額定功率密度,其是沒(méi)有COF的MEAs的兩倍多。
相關(guān)研究成果以“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”為題發(fā)表在Science上。
1、本文通過(guò)與Nafion交織的共價(jià)有機(jī)框架(COF)可以實(shí)現(xiàn)更高的工作溫度,從而提高氫空氣PEMFCs的功率密度;
2、受超嗜熱菌中發(fā)現(xiàn)的滲透壓?jiǎn)l(fā),本文合成了一種α-氨基酮連接的COF(Am-COF),為 MT PEMFC 創(chuàng)造了“透氣”質(zhì)子導(dǎo)體;
3、在商業(yè)化Pt/C中,MT PEMFCs在105°C溫度下以H2和空氣為燃料,與沒(méi)有COF的電池相比,其能夠?qū)崿F(xiàn)18.1和9.5 W mg-1Ptcathod的峰值和額定功率密度,分別提高了101%和187%。
圖一、離子聚合物內(nèi)質(zhì)量傳輸和水吸附能量 © 2024 AAAS
圖二、透氣開(kāi)放骨架離子聚合物的合成© 2024 AAAS
圖三、保水性評(píng)估© 2024 AAAS
圖四、質(zhì)子傳輸和燃料電池性能© 2024 AAAS
圖五、氧氣輸運(yùn)過(guò)程和主客體相互作用© 2024 AAAS
綜上所述,本文創(chuàng)新性的將“透氣”性開(kāi)放框架離子聚合物摻入中溫 PEMFCs的CL中創(chuàng)造了一個(gè)微環(huán)境,同時(shí)強(qiáng)調(diào)了提高保水性和確保透氣性的重要性。這一重大突破顯示了結(jié)晶離子聚合物在解決中溫PEMFCs性能方面的優(yōu)勢(shì),從而為解決高溫下脫水和氣體傳輸帶來(lái)的一系列挑戰(zhàn)提供了一種新的機(jī)會(huì)。
文獻(xiàn)鏈接:“Oxygen- and proton-transporting open framework ionomer for medium-temperature fuel cells”(Science,2024,10.1126/science.adq2259)
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