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多孔共價有機(jī)聚合物配位單鈷納米纖維助力聚合物燃料動力電池!

鉅大LARGE  |  點擊量：389次  |  2023年03月17日  

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)子交換膜燃料動力電池（PEMFCs）氧還原正極設(shè)計的新前沿，因為和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和膜和離聚物降解相關(guān)的芬頓效應(yīng)。然而，熱解技術(shù)會導(dǎo)致活性位點配置模糊、孔隙度和形態(tài)不理想，以及暴露的活性位點較少。


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采用無熱解策略獲得的液體可加工性鈷基共價有機(jī)聚合物（Co-COP），并通過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活性位點完全分散的自支撐大面積膜。聚焦離子束場發(fā)射掃描電子顯微鏡和計算流體動力學(xué)實驗證實，相對擴(kuò)散系數(shù)提高了3.5倍，這既可以為反應(yīng)物進(jìn)入活性位點供應(yīng)有效途徑，也可以有效地排出出現(xiàn)的水。結(jié)果，和傳統(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膜電極組件制備所要的特性。

文章要點：


1.這項工作通過電紡技術(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。和傳統(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的擴(kuò)散。長絲骨架之間的次級微米級大孔可使大量氣體通過低壓降擴(kuò)散到催化劑層，形成高速電子傳遞網(wǎng)絡(luò)。
3.FIB-FESEM和CFD實驗進(jìn)一步證實了較低的氧氣擴(kuò)散阻力。根據(jù)菲克第一定律，相對擴(kuò)散系數(shù)為46.9%，這可以為反應(yīng)物進(jìn)入活性位點供應(yīng)良好的通道，并去除出現(xiàn)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小時的耐久性測試后仍能保持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。通過設(shè)計特定的電極結(jié)構(gòu)，最大限度地提高整體電極的傳輸效率，改善活性位點的可用性，這項工作克服了傳統(tǒng)噴涂電極的傳輸限制，為未來PEMFC的膜電極加工供應(yīng)了一個新的方法。
圖1交聯(lián)納米纖維電催化劑的制備
圖2結(jié)構(gòu)表征

圖3PEMFC的性能和耐久性試驗


圖4計算流體動力學(xué)模擬和氧擴(kuò)散

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