中科大徐铜文/杨正金团队EES：多功能粘合剂，实现高功率、低铂载量和耐用高温燃料电池！

第一作者：李惠

通讯作者：徐铜文、杨正金

通讯单位：中国科学技术大学

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最先进的高温聚合物电解质膜燃料电池（HT-PEMFC），使用掺杂磷酸的聚苯并咪唑（PBI）材料平台，对于长途运输很有前景，但存在输出功率低、铂（Pt）利用率低以及在恶劣/动态操作条件下磷酸快速流失的问题。

本文报道了一种多功能含磷离子聚合物粘合剂（PFPA-PIM-SBI），该粘合剂源自本征微孔聚合物（PIMs），用于解决高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）中的几个关键问题。

PFPA-PIM-SBI通过共价键合的五氟苯基磷酸基团增强了质子传导性，其高度扭曲的分子构型可能阻止了苯基团在铂催化剂上的不利吸附，同时聚合物链封装的阻滞提供了高微孔性，有助于气体和产物的快速质量传输。

这些特性共同促成了高性能的H₂/O₂燃料电池，实现了约50%的高Pt利用率，240 °C时的峰值功率密度超过1000 mW cm^-2，以及在超低Pt负载量0.07 mg cm^-2下，Pt质量比峰值功率密度达到6.4 W mgPt^-1。

研究还发现，PFPA-PIM-SBI的非典型磷酸吸附性可以防止磷酸从膜到电极的迁移和随后流失，使得在超低铂载量或在加速应力测试下的燃料电池寿命更长。

图文导读

图1：PFPA-PIM-SBI的合成和分子构型，以及控制离子聚合物PFPA-TP、PVDF和PBI的N₂吸附-脱附等温线和³¹P NMR谱。

图2：PFPA-PIM-SBI离子聚合物粘合剂改善的三相界面示意图，以及从分子动力学模拟得到的PFPA-PIM-SBI、PFPA-TP、PVDF和PBI离子聚合物在离子聚合物-铂界面附近的O₂分布，以及不同离子聚合物的动态水蒸气吸附等温线。

图3：PFPA-PIM-SBI基H₂/O₂燃料电池在提升的温度和不同Pt载量下的性能，以及在不同Pt负载量下HT-PEMFC H₂/O₂燃料电池的Pt质量特异性峰值功率密度的比较。

图4：PFPA-PIM-SBI在膜电极界面对PA的非典型润湿性示意图，以及在动态切换电流密度和高频的启动/关闭中断下，PFPA-PIM-SBI或PA-PBI作为离子聚合物粘合剂组装的H₂/O₂ HT-PEMFC的电池电压记录。

总结展望

本研究中，作者概述了理想电极离子聚合物粘合剂材料的几个特征，以PFPA-PIM-SBI为例，这是一种源自本征微孔聚合物的含磷离子聚合物粘合剂。PFPA-PIM-SBI为高达240°C的高温H₂/O₂燃料电池提供了显著的功率输出、铂利用率和耐久性，超越了已报道的HT-PEMFC膜电极组装（MEAs）的性能。PFPA-PIM-SBI的非典型PA润湿性，有效地防止了PA的损失，并显著提高了MEA的稳定性。

这一发现显著提高了PA-PBI膜基HT-PEMFC在各种操作条件下的耐久性，包括高铂载量和超低铂载量以及动态电流和气体化学计量比切换循环，频繁的启动/关闭循环。因此，使用PFPA-PIM-SBI作为粘合剂材料为减少HT-PEMFC中的铂载量和提高耐久性提供了重要机会，特别是在重型车辆应用的背景下。未来的工作应致力于合成磷酰化聚合物膜，这些膜由于磷酸基团之间的强氢键相互作用而太脆。

文献信息

标题：Electrode binder design for high-power, low-Pt loading and durable high temperature fuel cells

期刊：Energy & Environmental Science

DOI：10.1039/D4EE00646A

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