多孔碳材料在質子交換膜燃料電池中的應用

質子交換膜燃料電池（氫氣燃料電池）的膜電極（MEA）主要由4部分材料構成：質子交換膜、催化劑層、微孔層和氣體擴散層。MEA是質子交換膜燃料電池（氫氣燃料電池）的核心，是氫氣和氧氣（來自空氣）發生化學反應產生電流的場所。

納米多孔碳支架（Nanoporous Carbon Scaffolds，NCS）薄膜是一種新型碳材料，具有較好的導電性，結構有序，孔徑可調，易于加工。NCS薄膜可以用來制備燃料電池的催化劑層和微孔層，并將二者合二為一。該工藝不但可以解決上述傳統方法的工藝繁瑣、成本高等問題，還提高了催化效率，減少了鉑催化劑的使用量，改善了MEA產品的穩定性和壽命

碳材料的優勢主要體現在:

(1) 生產工藝

氫氣燃料電池所用的催化劑是3-5納米鉑納米顆粒，因為鉑納米顆粒尺寸小、表面能高，非常容易團聚，因此制備粒徑均一、分散均勻的催化劑非常困難。由于NCS內部是三維貫通的有序孔道結構，可以將鉑納米顆粒的制備和負載簡化為一步完成。采取溶液浸漬原位還原的辦法可以在NCS的孔洞內制備鉑納米顆粒，同時實現均勻負載，簡化催化劑的制備和負載工藝。

(2) 改善性能

傳統MEA中使用的催化劑是將鉑納米顆粒負載在活性炭上的，加上粘結劑后噴涂在質子交換膜兩側，活性炭顆粒之間的縫隙是微米級，反應物從活性炭顆粒之間經過時被催化的幾率并不高。由于NCS是一整張膜，反應物只能從其負載催化劑的納米孔道內通過，因此催化效率高。

(3) 改善壽命

相比于孔洞的直徑，NCS中的孔和孔之間連接孔較小，催化劑負載后被限制在孔洞內，不易團聚，同時孔道內有化學修飾了大量羥基，增加了載體和鉑納米顆粒的鍵合力，明顯提高催化劑壽命。

(4) 減少鉑用量

由于NCS的孔道是規則有序的，鉑納米顆粒可以在NCS的孔道內實現均勻負載，因此可以減少鉑用量。

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