聚离子液体在质子交换膜燃料电池催化层中的应用及对氧气传输的影响机制

Development of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with low platinum loading is essential for reduction of their cost and their practical applications. Improvement of the oxygen transport in cathode is the key for the enhanced performance of low platinum-loading PEMFC. In this project, poly(ionic liquid) co-polymers is proposed to replace the traditional Nafion ionomers as proton conductive materials in cathode of PEMFC, aiming at improving the oxygen transport, oxygen reduction reaction kinetics and the according cell performance. Moreover, the existence of ionic liquid moieties is also beneficial for anti-cell reversal during operation of PEMFC, which increases the durability of cells. To this, we will first design and synthesize two types of poly(ionic liquid) co-polymers, for which the proton transport and oxygen transport mechanisms will be further analyzed using solid state nuclear magnetic resonance and positron annihilation lifetime techniques. The oxygen reduction reaction activity of the complexed electrocatalysts consisting of the synthesized polymer and commercial Pt/C will be further investigated. Based on the above-mentioned properties, the chemical composition and structure of the copolymer will be optimized and the potential application of the optimized copolymer as proton conducting materials in cathode of PEMFC will be finally evaluated. In addition, the outcomes of the projects may also provide a new design idea of electrolyte for other electrochemical energy conversion and storage devices.

研究开发低铂载量的质子交换膜燃料电池是降低燃料电池成本、推动其实际应用的重要措施之一。空气阴极氧传输性能的改善是提升低铂载量质子交换膜燃料电池性能的关键因素。本项目拟采用具有聚离子液体共聚物代替传统的全氟磺酸树脂作为燃料电池阴极催化层中的质子导体，以改善燃料电池阴极的空气传输和氧还原反应动力学，提升燃料电池的性能，为低铂载量质子交换膜燃料电池的研发提供新的研究思路；借助聚合物上离子液体单元在燃料电池运行中的抗反极能力，改善燃料电池的耐久性。为此，我们拟利用自由基共聚合反应合成两类聚离子液体共聚物，采用固态核磁共振、正电子湮没等技术考察聚合物的质子传导和氧气传输机制，结合聚合物与铂碳催化剂形成的复合催化体系的氧还原性能，优化聚合物的设计和制备方法，最终评估聚离子液体共聚物在质子交换膜燃料电池阴极催化层中的应用前景。此外，项目的研究成果有望为电化学储能器件中电解质材料的设计和制备提供新的思路。

质子交换膜燃料电池（PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)因贵金属铂催化剂的使用导致的高成本仍然是制约其推广应用的一个关键技术瓶颈，而进一步提升燃料电池的性能则是降低铂用量的一个有效措施。受限于空气阴极氧气穿过离子体薄层到达催化剂活性位点的传输阻力比较大，现有的PEMFC的性能仍然处于一个较低的水平。因此，设计开发低具有低氧传输阻力、兼具质子传导和粘接剂功能的离子体对于提升PEMFC的性能进而降低铂催化剂用量具有重要意义。基于上述认识，本项目设计合成了离子液体单元接枝到芳香环聚合物主链的碳氢类质子导体以及含有二氧杂环戊烯单元的全氟磺酸质子导体，并深入研究了上述质子导体氧扩散性能以及对于铂氧还原反应性能的影响，综合评估了它们在PEMFC中的应用前景。研究结果表明，离子液体单元接枝的聚芳环质子导体可以有效的提高氧气在其中的溶解度和扩散能力，进而提升铂碳催化剂的氧还原反应动力学；采用所合成的化合物作为空气阴极催化层的质子导体和粘接剂，有望是PEMFC的铂用量降低三分之一；但该类化合物的化学稳定性相对较低，后期需要设计更为稳定的聚合物材料。对于含氧杂环的全氟磺酸离子体，实验数据和分子动力学模拟均揭示了该类化合物具有远高于传统全氟磺酸树脂膜的氧扩散能力，在阴极催化层采用该类聚合物代替传统的Nafion，电池的性能提升在100 mW/cm2以上，而且电池的寿命相比Nafion质子导体没有明显衰减；通过结构和组成的进一步优化，含有二氧杂环环戊烯单元的全氟磺酸树脂有望短期内在PEMFC中得到应用。