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[材料资讯] 王素力、孙公权提出高温聚合物电解质膜孙公权非连续界面构建与演化机制

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发表于 2023-2-10 08:53:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
近日,我所醇类燃料电池及复合电能源研究中心(DNL0305组)王素力研究员和孙公权研究员团队在高温聚合物电解质膜燃料电池(HT-PEMFC)低界面传质阻力多孔电极设计构建研究方面取得新进展,团队基于多孔电极表面能调控,实现了非连续磷酸液—固界面层的可控构建,并阐释了该界面结构在工况下的演化机制与规律。
  高纯度氢气在制取、存储、运输及加注方面存在的技术瓶颈,一直以来制约着燃料电池的商业化发展。在HT-PEMFC中,由于运行温度升高(150-200oC)使得电极对毒化组分(一氧化碳、硫化物等)耐受能力大幅提升。因此,HT-PEMFC技术可实现醇类、汽柴油等液态燃料重整制氢产物的直接利用,有望从根本上解决燃料储运问题。但是,其与发展较为成熟的低温聚合物电解质膜燃料电池(LT-PEMFC)相比,HT-PEMFC的面积比功率仅为后者的1/3至1/2,严重制约了其工程应用与商业化进程。这主要由于高温体系下离子传输所必须的磷酸电解质的引入毒化了催化层中Pt基催化剂,以及液态磷酸侵入导致界面传质阻力增大。

孙公权

孙公权
  针对上述技术挑战,研究团队基于近年来在HT-PEMFC磷酸界面构建与演化机制方面的研究成果(J. Energy Chem.,2022;AIChE J.,2022;Nano Energy,2020;Mater. Today Nano,2022),提出了通过多孔电极表面能调控的方法,建立磷酸非均匀聚集与浸润的全新界面结构,并结合静电纺丝与电化学刻蚀手段,在微纳尺度实现了纤维多孔电极的超疏酸构建。团队利用原位环境扫描电镜技术,观察到了在模拟工况条件下磷酸液滴在多孔电极内的聚集分布,在实际多孔电极中实现了“非连续”液态磷酸界面层的构建,颠覆了传统多孔电极的磷酸均匀浸润模式。极限电流实验结合CFD理论计算方法证实,该界面结构大幅降低了液态磷酸对催化活性位点的覆盖厚度,进而显著降低了界面传质阻力。与传统电极相比,该多孔纤维电极所组装的HT-PEMFC膜电极峰值功率密度提高28%,展示了该类燃料电池的实际应用潜力。
  相关研究结果以“Uneven phosphoric acid interfaces with enhanced electrochemical performance for high-temperature polymer electrolyte fuel cells”为题,发表在《科学进展》(Science Advances)上。该工作的共同第一作者是我所DNL0305组张子楠博士和夏章讯副研究员。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。(文/图 张子楠、夏章讯)
  文章链接:https://doi.org/10.1126/sciadv.ade1194
        文章来源:大连化物所
      孙公权,中国科学院大连化学物理研究所研究员。1993年于中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位;1995年赴美国耶哥电化学科学中心,博士后;1997年         任长春应用化学研究所电化学研究室主任,环境友好化学部部长。1999年赴美国乔治亞理工学院、圣母大学,访问教授。2001年7月         作为国外引进杰出人才受聘于大连化学物理研究所,现任大连洁净能源国家实验室燃料电池研究部部长,兼任直接醇类燃料电池研究         组组长。孙公权研究员多年来一直致力于高比能、环境友好的直接醇类燃料电池、金属(Mg、Al、Zn等)/空气(O2、H2O2)储备电池以及电化学传感器件等研究开发工作。现为国家“973”计划项目首席科学家,总装型谱项目首席专家,中国科学院能源动力专家组专         家。《Fuel Cell》、《The Open Electrochemistry Journal》、《化学与物理电源系统》等多种学术期刊编委或客座编辑。先后主持承担了40余科研项目,获研究成果6项。在内外核心期刊发表研究论文180余篇(国外120余篇),累计他引4000余次。申请国内外发明专利85件(国外10余件)。参与编写著作3部,译著1部。培养博士/硕士研究生40余人,享有国务院政府特殊津贴。     
         王素力,女,1971年生。现任中国科学院大连化学物理研究所研究员,直接醇类燃料电池研究组副组长。1995年毕业于辽宁师范大学获学士学位,2000年于辽宁师范大学获硕士学位,2007年于中国科学院大连化学物理研究所获博士学位。自2000年以来一直从事直接醇类燃料电池(DAFC)的研究开发工作,主要研究方向包括电解质膜、膜电极等。在国内外学术期刊发表论文40余篇,申请中国发明专利20余项,获授权专利7项,参与翻译著作一部(排名第二),获大连市技术发明一等奖一项(排名第三)。










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