侯明、邵志刚：实现高稳定性、仿生排水纳米槽膜电极的制备

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近日，我所燃料电池系统科学与工程研究中心（DNL0301）侯明研究员、邵志刚研究员团队与美国纽约州立大学布法罗分校武刚教授团队合作，在质子交换膜燃料电池低铂膜电极研究方面取得新进展，设计并制备了具有仿生结构的低铂纳米纤维电极，该电极显著提高了燃料电池水管理能力和电极稳定性。
　　质子交换膜燃料电池具有能量转化效率高、低温启动速度快、环境友好等优点，是清洁能源技术的研究热点。膜电极是燃料电池的核心部件，是实现化学能-电能转换的场所。但是，传统膜电极的铂用量高、稳定性差等因素限制了燃料电池的商业化应用。

　　合作团队在前期低铂膜电极工作（Nano Energy，2017；J. Mater. Chem. A，2018；J. Mater. Chem. A，2018；Sustainable Energy Fuels，2020；J. Mater. Chem. A，2020）的基础上，制备了具有仿生结构的自支撑式的纳米槽（nanotrough）催化层，并将其作为质子交换膜燃料电池的阴极。该研究首次通过环境扫描电镜在线观察到燃料电池的产物水在纳米槽电极和传统Pt/C电极中的形成和输运过程，证明了该电极具有与禾本科植物类似的排水机制，验证了纳米槽电极优异的水管理能力。此外，在铂担量为42μg/cm2时，纳米槽电极的阴极质量比功率密度达到22.26W/mgPt，是传统Pt/C电极的1.27倍。低铂纳米槽电极在加速衰减实验过程中表现出良好的稳定性，克服了传统Pt/C电极所面临的Pt纳米颗粒的老化、碳载体腐蚀及聚合物离子导体的失效，以及由此产生的催化层结构坍塌等问题。该研究为膜电极结构设计提供了一条新思路。
　　相关研究成果以“Free-standing and Ionomer-free 3D Platinum Nanotrough Fiber Network Electrode for Proton Exchange Membrane Fuel Cells”为题，于近日发表在《应用催化B：环境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。该工作的第一作者是我所DNL0301的2018级博士研究生齐满满和纽约州立大学布法罗分校博士后曾亚超。上述工作得到国家重点研发计划项目、辽宁省兴辽英才计划、国家自然科学基金青年基金等项目的资助。（文/图 齐满满、曾亚超）
　　文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2021.120504




       文章来源：大连化物所
       侯明，女，博士，研究员，1962年生。中国科学院大连化学物理研究所，燃料电池研究室，燃料电池系统与工程组。
1984年至1999年，在大连理工大学从事教学与科研工作。自1999年至今在大连化物所从事燃料电池研究工作，在此期间参与完成了20余项国家级的科研项目/课题，主要包括“973”课题“燃料电池组流体分配、反应及电池组失效机理”，中科院十五重大项目“大功率质子交换膜燃料电池发动机与氢源技术”、国家十五“863”电动汽车重大专项——“燃料电池发动机”等；参加编制了十一五国家“863”节能与新能源汽车重大项目指南，并参加了“车用燃料电池发动机系统研发”课题。多年来一直负责燃料电池堆的研究、设计与开发, 完成了适用多种背景的燃料电池堆，并在客车与轿车用燃料电池发动机等场合上得到了应用，取得了“金属复合双极板”、“模块化质子交换膜燃料电池”等15项科技成果，申请发明专利43项，发表科技论文80余篇。2003年获辽宁省科技发明奖一等奖，2006年“新能源和可再生能源关键技术标准研究：质子交换膜燃料电池”获机械工业科学技术奖二等奖。
       邵志刚，中国科学院大连化学物理研究所燃料电池系统科学与工程研究组组长。2006年入人选中国科学院“百人计划”，2007年获得择优支持。从1996年起一直从事质子交换膜燃料电池的研究开发工作，目前研究方向为质子交换膜燃料电池系统中的工程科学问题及系统集成技术开发。曾经作为专题负责人和研究骨干参加过国家“九五”重点科技攻关项目“燃料电池技术”；中国科学院“九五”重大项目“燃料电池技术”；国家863计划“百瓦级再生氢氧燃料电池”课题；香港工业署开发项目“质子交换膜燃料电池电极制备新方法研究”，欧共体第五框架项目“毛细管型燃料电池系统研发”。目前为国家“863”计划课题：“高性能、长寿命车用燃料电池电催化剂、膜电极技术”负责人。至今发表期刊论文70余篇，SCI文章50余篇；申请中国发明专利12项，已授权5项；合著完成2章学术专著；作为主要人员参加完成的千瓦级质子交换膜燃料电池获得辽宁省科技进步一等奖。

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