多孔共价有机聚合物配位单钴纳米纤维助力聚合物燃料电池！

时间:2022-11-04 09:40来源:高分子科学前沿作者:综合报道

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氮配位单原子钴电催化剂，特别是钴基沸石咪唑骨架（ZIFs）高温热解衍生的电催化剂，已成为质子交换膜燃料电池（PEMFCs）氧还原正极设计的新前沿，因为与突出的铁基电催化剂相比，它们具有更高的耐久性和更小的与膜和离聚物降解相关的芬顿效应。然而，热解技术会导致活性位点配置模糊、孔隙度和形态不理想，以及暴露的活性位点较少。

近日，北京化工大学向中华教授、纽约州立大学布法罗分校武刚教授通过采用无热解策略获得的液体可加工性钴基共价有机聚合物（Co-COP），并通过静电纺丝直接制备了高度稳定的交联纳米纤维电极。所得纤维可以容易地组织成具有均匀分层多孔结构和催化剂表面原子Co活性位点完全分散的自支撑大面积膜。聚焦离子束场发射扫描电子显微镜和计算流体动力学实验证实，相对扩散系数提高了3.5倍，这既可以为反应物进入活性位点提供有效途径，也可以有效地排出产生的水。结果，与传统喷涂方法相比，集成Co-COP纳米纤维电极的峰值功率密度显著提高了1.72倍，并且提高了耐久性。值得注意的是，这种纳米制备技术还保持了良好的可扩展性和均匀性，这些都是协助PEMFCs膜电极组件制备所需要的特性。

文章要点：

1. 这项工作通过电纺技术直接制备了一种高度稳定的交联纳米纤维电极，该电极基于使用无热解策略获得的液体加工性CoCOP。

2. 液体可加工性Co-COP包含强大的共轭系统和丰富的有序N-配位Co单原子中心。通过电纺技术获得的分层多孔结构充分暴露了Co-N4的活性点。与传统的喷涂电极形态相比，电纺薄膜中单根纳米纤维的大孔有利于气体向活性位点的扩散。长丝骨架之间的次级微米级大孔可使大量气体通过低压降扩散到催化剂层，形成高速电子传递网络。

3. FIB-FESEM和CFD实验进一步证实了较低的氧气扩散阻力。根据菲克第一定律，相对扩散系数为46.9%，这可以为反应物进入活性位点提供良好的通道，并去除产生的水，从而不抑制反应。结果显示，集成纳米纤维电极的功率密度是传统喷涂电极的1.72倍。值得注意的是，交联的纳米纤维电极在150小时的耐久性测试后仍能保持85%的原始电压。

4. 这种纳米制备技术具有良好的可扩展性。例如，获得的200平方厘米的薄膜的性能可以在该薄膜上随机选择的位置保持良好的一致性。通过设计特定的电极结构，最大限度地提高整体电极的传输效率，改善活性位点的可用性，这项工作克服了传统喷涂电极的传输限制，为未来PEMFC的膜电极加工提供了一个新的方案。

图1 交联纳米纤维电催化剂的制备

图2 结构表征

图3 PEMFC的性能和耐久性试验

图4 计算流体动力学模拟和氧扩散

(责任编辑：子蕊)

文章标签：聚合物燃料电池

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