丰田中央研究所《自然·通讯》：透氧离聚物在聚合物电解质燃料电池中的作用

聚合物电解质燃料电池(PEFCs)是很有前景的汽车电源。由于燃料电池系统和材料的深入研究和开发，一些汽车制造商已经将具有所需功率密度和耐久性的燃料电池汽车（FCVs）商业化。然而，它们仍然比配备内燃机的车辆更昂贵。为降低系统成本，必须减少使用昂贵的材料和组件，如铂、载体、膜、离聚物、气体扩散层（GDL）和双极板。降低成本的有效方法是使用高功率密度的PEFCs。目前，FCVs中堆叠了数百个电池，以确保获得加速所需的最大功率。在单个电池中获得更高的功率密度使汽车制造商能够通过减少电池数量或减少几何电极面积来降低电池组成本。此外，每个电池需要减少贵重Pt催化剂的数量，并且电池必须表现出所需的耐用性。在这些需求的推动下，美国DRIVE燃料电池技术团队将2025年的功率密度目标定为1.8 W cm⁻²，日本新能源和工业技术开发组织最近将2030年的功率密度目标定为2.5 W cm⁻²。近年来，大量的研究和开发工作致力于提高聚合物电解质燃料电池的性能。然而，这些能量转换装置的功率密度和催化活性仍远不能满足大规模运行。

鉴于此，日本丰田中央研究所Ryosuke Jinnouchi博士通过在阴极催化剂层中将环状结构骨架基质加入离聚物来提高性能。作者将单电池、微电极和单晶表面的电化学测量与分子动力学(MD)模拟相结合，分析阐明了高透氧离聚物(HOPI)在PEFCs中的作用。研究发现，HOPI同时增强了阴极催化剂层(CL )中的氧传输和质量ORR活性。

文章亮点：

1. 详细的微电极分析和MD模拟表明，HOPI中的高渗透性主要归因于高氧溶解度，这增强了氧通过离聚物/Pt界面的渗透性。MD模拟还表明，界面氧渗透仍然是HOPI中氧传输的瓶颈。

2. 单晶电极进行的电化学测量表明，通过减轻磺酸盐阴离子对催化剂的毒害，可以实现高ORR活性。

3. MD模拟表明，高渗透和中毒缓解都是由于合并的环结构基质抑制了催化剂表面附近聚合物主链的密集分层折叠。这些实验和理论观察表明，离聚物的定制分子设计促进了局部氧传输和催化反应。

图1 PEFC和阴极CL的示意图

图2 离聚物的分子结构

图3 微电极的电化学特性

图4 通过MD模拟预测的体积和界面特性

图5 单晶电极的电化学特性

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25301-3

来源：高分子科学前沿

投稿模板：

单篇报道：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

系统报道：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦