顆粒在線訊：有序Nafion陣列因其在降低催化劑載量、提高燃料電池性能方面的巨大潛力引起了人們的廣泛關(guān)注。目前，有序Nafion陣列的尺寸已經(jīng)從最初的微米級(jí)減小到現(xiàn)在的亞微米級(jí)，納米尺寸的有序Nafion陣列成為其發(fā)展的必然趨勢(shì)。這主要是因?yàn)橛行騈afion陣列尺寸的減小能夠帶來三個(gè)方面的提升：高的陣列密度提供更多的質(zhì)子傳遞通道，高的比表面積提高催化劑的利用率，催化層與擴(kuò)散層更多的接觸位點(diǎn)減小界面?zhèn)鬟f阻力。但是，納米尺寸有序Nafion陣列較低的機(jī)械強(qiáng)度給其制備以及應(yīng)用都帶來了極大的困難（圖1）。

近日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員周小春、崔義，大連理工大學(xué)教授宋玉江等在ACS Nano上發(fā)表了高比表面積、納米尺寸有序Nafion陣列提高燃料電池性能、降低Pt催化劑載量的研究。相較于已經(jīng)報(bào)道的制備方法，該工作創(chuàng)新地通過Nafion乳液溶劑、Nafion陣列熱退火溫度，以及Nafion陣列剝離方式三個(gè)方面的研究實(shí)現(xiàn)了納米尺寸有序Nafion陣列的制備（圖2）。研究人員使用DMSO作為Nafion乳液溶劑，并在140℃下進(jìn)行熱退火處理，顯著提高了納米尺寸有序Nafion陣列的機(jī)械強(qiáng)度，其機(jī)械強(qiáng)度高達(dá)17.5 MPa，并高于商業(yè)Nafion 212的11.9 MPa。進(jìn)一步，邊緣刻蝕的方式避免了納米尺寸有序Nafion陣列剝離過程中大量氫氣的產(chǎn)生與聚集，以及較高氫氣壓力對(duì)于Nafion陣列的破壞和Nafion膜的穿孔。該研究成功制備了高機(jī)械強(qiáng)度、形貌完好的納米尺寸有序Nafion陣列（圖3）。

成功制備的納米尺寸有序Nafion陣列的直徑僅為40 nm（D40），密度高達(dá)2.7×1010柱/cm2，遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)中已經(jīng)報(bào)道的Nafion陣列的密度。高密度的Nafion陣列提供了豐富的質(zhì)子傳遞通道，有利于催化層內(nèi)質(zhì)子傳遞阻力的降低。其次，比表面積高達(dá)51.5 cm2/cm2，為催化劑的負(fù)載提供了較大的比表面積，有利于催化劑利用率的提高（圖4）。此外，納米尺寸有序Nafion陣列的尺寸優(yōu)勢(shì)在燃料電池上得到了很好的證明。有序Nafion陣列作為陽極一側(cè)時(shí)，相較于尺寸更大的D400（400 nm）、D100（100nm），D40峰值功率密度最高，高達(dá)1.47 W/cm2（圖5），與此同時(shí)，催化劑載量?jī)H為17.6 μgPt/cm2。此外，D40用于陰極一側(cè)，在61.0 μgPt /cm2的載量下，峰值功率密度可以達(dá)到1.29 W/cm2。與已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)相比，納米尺寸有序Nafion陣列無論應(yīng)用于陽極一側(cè)還是陰極一側(cè)，均能夠在較低的催化劑載量下獲得較高的峰值功率密度。此外，該工作還為電解水和電合成催化層的合理設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

相關(guān)研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國博士后基金、蘇州市碳達(dá)峰碳中和科技支撐重點(diǎn)專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。

圖1 有序Nafion陣列尺寸的發(fā)展趨勢(shì)、尺寸優(yōu)勢(shì)以及納米尺寸有序Nafion陣列的制備挑戰(zhàn)

圖2 該研究中納米尺寸有序Nafion陣列的制備流程與已報(bào)道的制備流程的對(duì)比

圖3 納米尺寸有序Nafion陣列制備流程的影響

圖4 有序Nafion陣列尺寸與Nafion陣列密度、比表面積的關(guān)系

圖5 納米尺寸有序Nafion陣列在燃料電池中的應(yīng)用