多孔碳材料在质子交换膜燃料电池中的应用

质子交换膜燃料电池（氢气燃料电池）的膜电极（MEA）主要由4部分材料构成：质子交换膜、催化剂层、微孔层和气体扩散层。MEA是质子交换膜燃料电池（氢气燃料电池）的核心，是氢气和氧气（来自空气）发生化学反应产生电流的场所。

纳米多孔碳支架（Nanoporous Carbon Scaffolds，NCS）薄膜是一种新型碳材料，具有较好的导电性，结构有序，孔径可调，易于加工。NCS薄膜可以用来制备燃料电池的催化剂层和微孔层，并将二者合二为一。该工艺不但可以解决上述传统方法的工艺繁琐、成本高等问题，还提高了催化效率，减少了铂催化剂的使用量，改善了MEA产品的稳定性和寿命

碳材料的优势主要体现在:

(1) 生产工艺

氢气燃料电池所用的催化剂是3-5纳米铂纳米颗粒，因为铂纳米颗粒尺寸小、表面能高，非常容易团聚，因此制备粒径均一、分散均匀的催化剂非常困难。由于NCS内部是三维贯通的有序孔道结构，可以将铂纳米颗粒的制备和负载简化为一步完成。采取溶液浸渍原位还原的办法可以在NCS的孔洞内制备铂纳米颗粒，同时实现均匀负载，简化催化剂的制备和负载工艺。

(2) 改善性能

传统MEA中使用的催化剂是将铂纳米颗粒负载在活性炭上的，加上粘结剂后喷涂在质子交换膜两侧，活性炭颗粒之间的缝隙是微米级，反应物从活性炭颗粒之间经过时被催化的几率并不高。由于NCS是一整张膜，反应物只能从其负载催化剂的纳米孔道内通过，因此催化效率高。

(3) 改善寿命

相比于孔洞的直径，NCS中的孔和孔之间连接孔较小，催化剂负载后被限制在孔洞内，不易团聚，同时孔道内有化学修饰了大量羟基，增加了载体和铂纳米颗粒的键合力，明显提高催化剂寿命。

(4) 减少铂用量

由于NCS的孔道是规则有序的，铂纳米颗粒可以在NCS的孔道内实现均匀负载，因此可以减少铂用量。

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