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多孔共價(jià)有機(jī)聚合物配位單鈷納米纖維助力聚合物燃料電池！

時(shí)間:2022-11-04 09:40來(lái)源:高分子科學(xué)前沿 作者:綜合報(bào)道
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       氮配位單原子鈷電催化劑，特別是鈷基沸石咪唑骨架（ZIFs）高溫?zé)峤庋苌碾姶呋瘎�，已成為質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFCs）氧還原正極設(shè)計(jì)的新前沿，因?yàn)榕c突出的鐵基電催化劑相比，它們具有更高的耐久性和更小的與膜和離聚物降解相關(guān)的芬頓效應(yīng)。然而，熱解技術(shù)會(huì)導(dǎo)致活性位點(diǎn)配置模糊、孔隙度和形態(tài)不理想，以及暴露的活性位點(diǎn)較少。

       近日，北京化工大學(xué)向中華教授、紐約州立大學(xué)布法羅分校武剛教授通過(guò)采用無(wú)熱解策略獲得的液體可加工性鈷基共價(jià)有機(jī)聚合物（Co-COP），并通過(guò)靜電紡絲直接制備了高度穩(wěn)定的交聯(lián)納米纖維電極。所得纖維可以容易地組織成具有均勻分層多孔結(jié)構(gòu)和催化劑表面原子Co活性位點(diǎn)完全分散的自支撐大面積膜。聚焦離子束場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)提高了3.5倍，這既可以為反應(yīng)物進(jìn)入活性位點(diǎn)提供有效途徑，也可以有效地排出產(chǎn)生的水。結(jié)果，與傳統(tǒng)噴涂方法相比，集成Co-COP納米纖維電極的峰值功率密度顯著提高了1.72倍，并且提高了耐久性。值得注意的是，這種納米制備技術(shù)還保持了良好的可擴(kuò)展性和均勻性，這些都是協(xié)助PEMFCs膜電極組件制備所需要的特性。
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       文章要點(diǎn)：

       1. 這項(xiàng)工作通過(guò)電紡技術(shù)直接制備了一種高度穩(wěn)定的交聯(lián)納米纖維電極，該電極基于使用無(wú)熱解策略獲得的液體加工性CoCOP。
       2. 液體可加工性Co-COP包含強(qiáng)大的共軛系統(tǒng)和豐富的有序N-配位Co單原子中心。通過(guò)電紡技術(shù)獲得的分層多孔結(jié)構(gòu)充分暴露了Co-N4的活性點(diǎn)。與傳統(tǒng)的噴涂電極形態(tài)相比，電紡薄膜中單根納米纖維的大孔有利于氣體向活性位點(diǎn)的擴(kuò)散。長(zhǎng)絲骨架之間的次級(jí)微米級(jí)大孔可使大量氣體通過(guò)低壓降擴(kuò)散到催化劑層，形成高速電子傳遞網(wǎng)絡(luò)。
       3. FIB-FESEM和CFD實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了較低的氧氣擴(kuò)散阻力。根據(jù)菲克第一定律，相對(duì)擴(kuò)散系數(shù)為46.9%，這可以為反應(yīng)物進(jìn)入活性位點(diǎn)提供良好的通道，并去除產(chǎn)生的水，從而不抑制反應(yīng)。結(jié)果顯示，集成納米纖維電極的功率密度是傳統(tǒng)噴涂電極的1.72倍。值得注意的是，交聯(lián)的納米纖維電極在150小時(shí)的耐久性測(cè)試后仍能保持85%的原始電壓。
       4. 這種納米制備技術(shù)具有良好的可擴(kuò)展性。例如，獲得的200平方厘米的薄膜的性能可以在該薄膜上隨機(jī)選擇的位置保持良好的一致性。通過(guò)設(shè)計(jì)特定的電極結(jié)構(gòu)，最大限度地提高整體電極的傳輸效率，改善活性位點(diǎn)的可用性，這項(xiàng)工作克服了傳統(tǒng)噴涂電極的傳輸限制，為未來(lái)PEMFC的膜電極加工提供了一個(gè)新的方案。
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圖1 交聯(lián)納米纖維電催化劑的制備
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圖2 結(jié)構(gòu)表征
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圖3 PEMFC的性能和耐久性試驗(yàn)
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圖4 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模擬和氧擴(kuò)散
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 聚合物燃料電池
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