石科院在Nature Catalysis发表质子交换膜燃料电池电极界面微环境调控最新研究进展

燃料电池催化剂/离聚物界面微环境调控领域取得进展

近日，石科院在质子交换膜燃料电池电极界面微环境调控领域取得新突破，石科院郭琳副研究员与重庆大学陈四国教授、魏子栋教授团队合作，在催化领域国际顶级期刊《Nature Catalysis》上发表题为“Blocking the Sulfonate Group in Nafion to Unlock Platinum's Activity in Membrane Electrode Assemblies”论文，介绍最新研究成果。该研究是在质子交换膜燃料电池Pt基催化剂/离聚物界面微环境调控领域取得的最为重要的进展之一，对于提高膜电极贵金属利用率、降低电池成本、提高电池工作效率具有里程碑式意义。

l  论文简介

石科院作为第二通讯单位主要参与膜电极的设计，并重点负责膜电极的微观结构解析工作，与重庆大学团队共同梳理出介尺度下新型界面结构对膜电极中Pt利用率、质子传输及传质的影响规律。

合作团队从介尺度的思想出发，关注催化剂纳米颗粒与多孔电极的微环境对电极催化活性与反应物种传递行为的影响；巧妙地利用环己醇羟基与磺酸基形成氧鎓盐（COH₂⁺SO₃^-）的特点，设计出一种Pt纳米颗粒与Nafion离聚物磺酸基团不接触的新型Pt/离聚物界面，该界面设计突破了自上世纪九十年代由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出并广泛应用的INK方法中Pt/离聚物界面的局限性，即离聚物磺酸基团直接接触Pt导致的催化剂活性损失及氧气局域传质受阻。

传统Pt/离聚物直接接触界面（左）和非接触Pt/离聚物界面（右）示意图。

合作团队通过环己醇对离聚物的修饰在膜电极中形成结构稳定的氧鎓盐，该结构有效地将Pt纳米颗粒与离聚物磺酸基团隔离开，使得Pt表面的离聚物磺酸基团覆盖度从传统膜电极的21%下降为7%，释放出大量Pt活性位点。该氧鎓盐结构不仅没有阻塞离聚物磺酸基的质子传输，而且氧鎓盐内的强化学作用降低了环己醇羟基上电子云密度，进而活化环己醇的羟基氢，使环己醇羟基参与质子传递过程，提高了膜电极催化层的质子传递能力。此外，氧鎓盐结构内的强化学作用还确保氧鎓盐结构的稳定使环己醇在电池长期运行过程中能够保持稳定。此外，具有船式/椅式构象的环己醇降低离聚物链之间的堆叠，大幅提高了离聚物层的微相分离能力及催化层的氧气渗透能力。

H₂/O₂单电池测试显示，经环己醇修饰后膜电极在0.85 V_HFR-free电压下相较于未经修饰的膜电极的动力学电流提高了25%，功率密度峰值从传统的1.318 W cm^-2提升到1.804 W cm^-2，在H₂/空气供气模式下也比传统电极提高了24%。此外，经过15小时0.6 V恒电压下测试电流未发生明显衰减，表明环己醇在电池长期运行中可以保持稳定，不会从催化层中脱出。

(a-c) 有/无环己醇并入的膜电极的燃料电池测试结果；(d) 膜电极的原位电化学阻抗谱；(e) 环己醇并入的膜电极的长期稳定性测试。

论文信息：

Chen, F., Chen, S., Wang, A. et al. Blocking the sulfonate group in Nafion to unlock platinum’s activity in membrane electrode assemblies. Nat Catal 6, 392–401 (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-023-00949-w

l  作者简介

郭琳，博士，副研究员，就职于中国石化新能源研究所、石油化工分子转化与反应工程全国重点实验室。主要从事能源电化学与纳米材料的交叉研究以及相关装备开发。近年来在电解水制氢和燃料电池体系及其关键材料方面进行了较为系统且深入的研究，研制出多种新型高性能电极材料。相关成果发表在Nat. Cat.、Nat. Commun.、Appl. Cat. B.、Acs Nano、Acs Catal.等SCI期刊。

l  通讯单位简介

石油化工分子转化与反应工程全国重点实验室（State Key Laboratory of Catalytic Materials and Reaction Engineering）由石科院牵头组建，以“保障能源安全、碳中和与产业转型、绿色能源体系构建”为使命，聚焦国家能源安全和“双碳”目标，发展绿色、低碳的多能融合技术。实验室布局分子水平炼油、原子经济化工和绿色低碳能源等重点研究方向，以石油化工分子转化为核心，开展催化材料设计与合成、绿色化学与工程、绿色分离工程和绿色过程系统集成的应用基础研究，致力破解分子水平炼油、原子经济化工和零碳石化技术等重大科技问题。未来，实验室将努力为我国石油化工行业实现产业转型和双碳目标提供基础理论和方法，解决相关技术研发及产业化放大中的关键科学与工程技术问题，形成原创性的低碳绿色过程知识平台和技术平台，构建具有我国特色的高效-低碳-绿色石油化工分子转化和零碳石化技术工业体系，不断满足国家能源重大战略需求。

Blocking the sulfonate group in Nafion to unlock platinum's activity in membrane electrode assemblies.pdf