以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications
英文原题：Nanosized Proton Conductor Array with High Specific Surface Area Improves Fuel Cell Performance at Low Pt Loading
通讯作者：周小春 (苏州纳米所)、崔义 (苏州纳米所)、宋玉江 (大连理工大学)
作者：Fandi Ning (宁凡迪), Jiaqi Qin (秦嘉琪), Xiong Dan (但雄), Saifei Pan (潘赛飞), Chuang Bai (白闯), Min Shen (沈闽), Yali Li (李雅丽), Xuwei Fu (付绪伟), Shi Zhou (周石), Yangbin Shen (沈杨彬), Wei Feng (冯威), Yecheng Zou (邹业成), Yi Cui* (崔义), Yujiang Song* (宋玉江), Xiaochun Zhou* (周小春)
文章亮点
1
采用边缘揭膜的方法成功制备了纳米尺寸的有序Nafion阵列。
2
阐明了有序Nafion阵列的尺寸效应对于电池性能提升的内在机理。
3
为催化层的合理设计提供了科学的理论指导。
背景介绍
有序Nafion阵列因其在降低催化剂载量，提高燃料电池性能方面的巨大潜力而引起了大家的广泛研究兴趣。目前，有序Nafion阵列的尺寸已经从最初的微米级减小到现在的亚微米级，纳米尺寸的有序Nafion阵列成为其发展的必然趋势。这主要是因为有序Nafion阵列尺寸的减小能够带来三个方面的提升：高的阵列密度提供更多的质子传递通道，高的比表面积提高催化剂的利用率，催化层与扩散层更多的接触位点减小界面传递阻力。但是，纳米尺寸有序Nafion阵列较低的机械强度给其制备以及应用都带来了极大的困难（图 1）。
图 1. 有序Nafion阵列尺寸的发展趋势，尺寸优势以及纳米尺寸有序Nafion阵列的制备挑战。
文章亮点
近日，中国科学院苏州纳米所周小春研究员、崔义研究员，大连理工的宋玉江教授，联合东岳未来氢能在ACS Nano上发表了高比表面积，纳米尺寸有序Nafion阵列提高燃料电池性能，降低Pt催化剂载量的研究。相较于已经报道的制备方法，该工作创新的通过Nafion乳液溶剂，Nafion阵列热退火温度，以及Nafion阵列剥离方式三个方面的研究实现了纳米尺寸有序Nafion阵列的制备（图 2）。首先，使用DMSO作为Nafion乳液溶剂，并在140℃ 下进行热退火处理显著提高了纳米尺寸有序Nafion阵列的机械强度，其机械强度高达17.5 MPa，并高于商业Nafion 212的11.9 MPa。进一步，边缘刻蚀的方式避免了纳米尺寸有序Nafion阵列剥离过程中大量氢气的产生与聚集，以及较高氢气压力对于Nafion阵列的破坏，Nafion膜的穿孔。最终成功制备了高机械强度，形貌完好的纳米尺寸有序Nafion阵列（图 3）。
图 2. 该研究中纳米尺寸有序Nafion阵列的制备流程与已报道的制备流程的对比。
图 3. 纳米尺寸有序Nafion阵列制备流程的影响。
成功制备的纳米尺寸有序Nafion阵列的直径仅为40 nm（D40），密度高达2.7×1010柱/cm2，远高于文献中已经报道的Nafion阵列的密度。高密度的Nafion阵列提供了丰富的质子传递通道，有利于催化层内质子传递阻力的降低。其次，比表面积高达51.5 cm2/cm2，为催化剂的负载提供了较大的比表面积，有利于催化剂利用率的提高（图 4）。最后，纳米尺寸的有序Nafion阵列为催化层与气体扩散层提供了更多的接触位点，有利于界面传递阻力的降低。基于此，纳米尺寸的有序Nafion阵列有望显著降低燃料电池催化剂载量，并提高电池性能。
图 4. 有序Nafion阵列尺寸与Nafion阵列密度，比表面积的关系。
纳米尺寸有序Nafion阵列的尺寸优势在燃料电池上得到了很好的证明。如图 5所示，有序Nafion阵列作为阳极一侧时，相较于尺寸更大的D400(400 nm)， D100（100nm），D40峰值功率密度最高，高达1.47 W/cm2。与此同时，催化剂载量仅为17.6 μgPt/cm2。此外，D40用于阴极一侧，在61.0 μgPt /cm2的载量下，峰值功率密度可以达到1.29 W/cm2。与已经报道的文献相比，纳米尺寸有序Nafion阵列无论应用与阳极一侧还是阴极一侧，均能够在较低的催化剂载量下获得较高的峰值功率密度。因此，纳米尺寸的有序Nafion阵列能够显著降低催化剂载量，提高电池峰值功率密度。
图 5. 纳米尺寸有序Nafion阵列在燃料电池中的应用。
总结/展望
在这项研究中，我们提出了一种纳米尺寸Nafion阵列的策略，实现燃料电池性能的提高，以及Pt催化剂载量的降低。通过Nafion乳液溶剂，Nafion阵列热退火温度，以及Nafion阵列剥离方式三个方面的创新实现了高机械强度纳米尺寸有序Nafion阵列的制备。进一步，从阵列密度，阵列比表面积，催化层与扩散层的界面接触三个方面系统研究了Nafion阵列尺寸效应对Nafion阵列物理性质，及其燃料电池性能的影响。此外，该工作还为电解水和电合成催化层的合理设计提供了科学的指导。
相关论文发表在ACS Nano上，中国科学院苏州纳米所的博士后宁凡迪为文章的第一作者，大连理工大学的博士研究生秦嘉琪为文章的共同第一作者。中国科学院苏州纳米所的周小春研究员，崔义研究员，以及大连理工大学的宋玉江教授为共同通讯作者。
通讯作者信息：
周小春 中国科学院苏州纳米所
中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员、博士生导师。2008年在中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位，2008年至2013年为美国康乃尔大学（Cornell University）博士后和研究助理，2013年3月回国工作。
长期从事燃料电池方面的前沿研究，主要进行燃料电池有序化膜电极、气体扩散层、电催化、轻量化、数学模型等方面的材料、化学和工程化研究，取得了一系列成果。如开发了柔性、超薄、超高功率密度燃料电池，曾被评为2017年燃料电池行业的十大事件之一。在Nature Nanotechnology、Nature Chemistry、J. Am. Chem. Soc.、ACS Nano、Chem 等国际期刊上发表SCI学术论文80余篇，申请或授权中国专利20余项，单篇最高被引400余次。
课题组网站：http://www.mscatalysis.net/
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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