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北京理工大學李煜景研究員課題組在用于質子交換膜燃料電池的超低鉑載量半有序催化劑層研究中取得進展。相關成果以“Semi-ordered catalyst layer with ultra-low Pt loading for proton exchange membrane fuel cells”為題，在國際期刊《JOURNAL OF POWER SOURCES》IF=8.1上發(fā)表，提出了一種半有序催化劑層結構設計，該設計顯著降低了質量傳遞阻力，同時增強了H+傳遞。具有固有內部空隙的有序微陣列（OMA）在催化劑層內建立了垂直通道，并優(yōu)化了質子和氧的傳輸路徑。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）鉑族金屬（PGM）負載的減少，對氫能大規(guī)模商業(yè)應用至關重要。催化劑層的結構排序被認為是提高發(fā)電性能并因此降低PGM負載的重要手段?？紤]到鉑金昂貴和稀有，降低 Pt 用量一直是催化劑研究主要方向。

為了探索解決這個問題，李煜景研究員課題組應用武漢電弛新能源有限公司研制的DC980桌面式燃料電池測試系統(tǒng)進行實驗研究。實驗結果表明，在低負載（0.05-0.1 mgPt cm-2）下表現(xiàn)出24%的MEA性能顯著提高，并具有更低的氧傳輸阻力。多物理場建模證明了半有序催化劑層中的垂直孔道在催化劑層中的質量傳遞中的作用，同時進一步降低Pt負載，同時保持燃料電池的高性能。

在實驗中，首先采用氧化鋁模板制備了一側具有OMA表面的Nafion膜，表面有著簇狀陣列，結構有著較好的穩(wěn)定性。

隨后采用催化劑涂層膜工藝（CCM）制成膜電極，其中OMA側用作陰極，形成了半有序催化層。為防止噴涂過程中對陣列的破壞，催化劑墨水采用高固體含量比。

為驗證OMA的效果，與標準商用XL膜進行了對比，發(fā)現(xiàn)在不同濕度下，XL-OMA表現(xiàn)出了更高的電化學比表面積（ECSA）。同時在較低的Pt負載量下，XL-OMA表現(xiàn)出了更低的與壓力無關的02輸運阻力，對OMA的氧氣運輸表現(xiàn)出了積極影響，并且超低Pt負載，對質量傳遞也起到了積極作用。

隨后，通過電化學測試，評估了不同Pt載量下半有序催化劑層和傳統(tǒng)平面催化劑層的PEMFC性能。實驗結果顯示，與傳統(tǒng)平面催化劑層相比，半有序催化劑層在超低Pt載量（0.05–0.1 mg Pt cm^-2）下表現(xiàn)出顯著降低的氧氣傳輸阻力和顯著提高的MEA性能（提升24%）。

為了更深入地理解半有序催化劑層中垂直通道對燃料電池性能的影響，實驗還采用了多物理場建模方法。通過COMSOL Multiphysics平臺模擬了不同催化劑層結構下的燃料電池性能，并比較了傳統(tǒng)結構和半有序結構之間的差異。模擬結果進一步證實了半有序催化劑層在降低質量傳輸阻力和提高質子傳導效率方面的優(yōu)勢。

本研究通過實驗和數(shù)值模擬驗證了半有序催化劑層在PEMFC中的優(yōu)越性能。該設計不僅顯著降低了Pt載量，還提高了燃料電池的效率和耐久性。未來，隨著材料科學和納米技術的不斷進步，有望進一步優(yōu)化半有序催化劑層的結構，進一步提升PEMFC的性能和降低成本，推動其在清潔能源領域的廣泛應用。

文獻DIO：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.234516