直接甲醇燃料电池的新型有序结构催化层的制备和表征方法的研究

Direct methanol fuel cell (DMFC) is a very promising power source for portable electronic devices and uninterrupted power supply due to its advantages of high power density, cheap fuel price, easy operation etc. The strength and distribution of proton conductivity in the catalyst layer of DMFC can directly and strongly affect the performance of DMFC, while the microscale research of this field is quite insufficient. In this proposal, we introduce a Nafion nano-array with variant shapes as the proton conductor in catalyst layer, because the variant shapes can benefit the strength and distribution of proton conductivity. The Nafion nano-array has many advantages, such as higher proton conductivity, enough length (up to tens micrometer), which can facilitate the proton transfer. The magnetic nanoparticles, such as Fe3O4, will be added into the Nafion nano-array, and makes the nano-array be modulatable by magnetic field. Furthermore, the porosity and distribution of Nafion nano-array also can be modulated by the dissolution of magnetic nanoparticles. In addition, the fluorecence microscopy will be used to reveal the working process of the thin catalyst layer, especially revreal the proton and electron transfer. Based on the work above, some related mathematic model will be built to optimize the experiment parameters, such as the shape and dimension of Nafion nano-array. This technique can be extended to some other fields, such as H2/O2 fuel cell and water electrolysis, which use proton exchange membrane as their function part.

直接甲醇燃料电池(DMFC)由于其能量密度高，燃料便宜易得等优点，非常有潜力应用于移动电子设备和应急备用电源等领域。电催化层的质子电导率的大小和分布直接影响到DMFC的性能，而这方面的研究仍然很不充分。本项目将在催化层中引入多种形状（棒，圆锥等）的Nafion纳米阵列，因为不同的形状可以产生不同的质子电导率的大小和分布，而阵列结构可具有足够的长度（达数十微米），可有效的把电极内部的质子传递到出来。还将在纳米阵列中添加磁性纳米粒子，以便采用磁场精确调节这些纳米阵列的排列，而且磁性纳米粒子在去除之后还可以调节Nafion纳米阵列的孔隙度和分布。还采用荧光显微技术表征催化层内部的工作过程，尤其是电子和质子导通状态。在此基础之上建立相关的数学模型，帮助我们优化磁性Nafion纳米阵列的形状等实验参数，大幅提高DMFC的性能。此技术还可拓展应用到氢氧燃料电池，电解水等领域。

针对直接甲醇燃料电池(DMFC)的催化层内部的质子电导率偏小以及三相界面需要进一步优化的问题，该项目深入开展了Nafion纳米阵列相关的研究。通过本项目的研究，在催化层中引入多种形状（棒状，Y型等）的Nafion纳米阵列，通过调节不同的形状产生不同的质子电导率的大小和分布，而且阵列结构可具有足够的长度（达数十微米），可有效的把电极内部的质子传递到出来。为了有效的利用Nafion纳米阵列以及了解其工作机制，还开展了Nafion纳米阵列的磁性纳米粒子填充、薄层电极内部催化过程的荧光显微表征、磁场调控下的膜电极的制备、电极组成的空间分布和电极结构的表征与分析、电极的工作性能的表征和分析有计划的开展了相关的研究。同时，对相关的关键科学问题进行了深入的探讨和研究，基本了解了磁性Nafion纳米阵列制备、调控、使用、“构~效”关系等相关的过程和机理。通过对上述研究内容和科学问题大量的、深入的研究，得到了丰富的研究结果，取得了明显的成绩。经过本项目的研究，研发出了一套简单实用的磁场调控下制备燃料电池电极的装置，把电池性能提高了7%（用在阳极）和12倍（用在阴极），催化剂的实际工作催化效率提高了20%（用在阳极）和3倍（用在阴极）。在SCI或EI等期刊上发表论文15篇，申请专利3项。该项目的研究成果为燃料电池性能的进一步提高提供了理论和实践的参考。