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  多孔碳材料在質(zhì)子交換膜燃料電池中的應(yīng)用

質(zhì)子交換膜燃料電池（氫氣燃料電池）的膜電極（MEA）主要由4部分材料構(gòu)成：質(zhì)子交換膜、催化劑層、微孔層和氣體擴(kuò)散層。MEA是質(zhì)子交換膜燃料電池（氫氣燃料電池）的核心，是氫氣和氧氣（來(lái)自空氣）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流的場(chǎng)所。

納米多孔碳支架（Nanoporous Carbon Scaffolds，NCS）薄膜是一種新型碳材料，具有較好的導(dǎo)電性，結(jié)構(gòu)有序，孔徑可調(diào)，易于加工。NCS薄膜可以用來(lái)制備燃料電池的催化劑層和微孔層，并將二者合二為一。該工藝不但可以解決上述傳統(tǒng)方法的工藝繁瑣、成本高等問(wèn)題，還提高了催化效率，減少了鉑催化劑的使用量，改善了MEA產(chǎn)品的穩(wěn)定性和壽命

碳材料的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在:

(1) 生產(chǎn)工藝

氫氣燃料電池所用的催化劑是3-5納米鉑納米顆粒，因?yàn)殂K納米顆粒尺寸小、表面能高，非常容易團(tuán)聚，因此制備粒徑均一、分散均勻的催化劑非常困難。由于NCS內(nèi)部是三維貫通的有序孔道結(jié)構(gòu)，可以將鉑納米顆粒的制備和負(fù)載簡(jiǎn)化為一步完成。采取溶液浸漬原位還原的辦法可以在NCS的孔洞內(nèi)制備鉑納米顆粒，同時(shí)實(shí)現(xiàn)均勻負(fù)載，簡(jiǎn)化催化劑的制備和負(fù)載工藝。

(2) 改善性能

傳統(tǒng)MEA中使用的催化劑是將鉑納米顆粒負(fù)載在活性炭上的，加上粘結(jié)劑后噴涂在質(zhì)子交換膜兩側(cè)，活性炭顆粒之間的縫隙是微米級(jí)，反應(yīng)物從活性炭顆粒之間經(jīng)過(guò)時(shí)被催化的幾率并不高。由于NCS是一整張膜，反應(yīng)物只能從其負(fù)載催化劑的納米孔道內(nèi)通過(guò)，因此催化效率高。

(3) 改善壽命

相比于孔洞的直徑，NCS中的孔和孔之間連接孔較小，催化劑負(fù)載后被限制在孔洞內(nèi)，不易團(tuán)聚，同時(shí)孔道內(nèi)有化學(xué)修飾了大量羥基，增加了載體和鉑納米顆粒的鍵合力，明顯提高催化劑壽命。

(4) 減少鉑用量

由于NCS的孔道是規(guī)則有序的，鉑納米顆?？梢栽贜CS的孔道內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻負(fù)載，因此可以減少鉑用量。

實(shí)驗(yàn)室