丰田：氮修饰碳载体抑制催化剂的树脂“中毒”现象

为提高质子传导率和稳定性，全氟磺酸聚合物已被广泛应用为车用燃料电池催化层的离子导电聚合物。但 全氟磺酸树脂的侧链磺酸根离子吸附在Pt表面引发的“中毒”现象已成为催化层开发的难题 ，“中毒”导致ORR活性降低和物质传输通道受阻。虽然3M公司曾开发了无树脂的纳米结构薄膜NSTF催化层， 但现有研究表明，商业化FCEV的催化层中Pt和树脂的共存无法避免。

为使树脂均匀分布在催化剂上，避免树脂“中毒”和催化剂表面形成致密树脂层，碳载体表面氮修饰的方法具备应用潜力。目前，采用不同工艺方法获得的氮修饰碳载体经过电化学表征已证实可行。催化层的界面主要有 Pt-树脂 、 Pt-载体 、 树脂-载体 三类界面。 碳载体与树脂的强键合作用可抑制催化层中Pt催化剂和树脂的接触，从而减轻树脂“中毒”现象。 迄今为止，碳载体(氮修饰)和树脂的界面状态和影响机制尚不清晰 。本文分享丰田揭示碳载体(氮修饰)上树脂界面结构特征并分析界面影响的研究。

图3 接触角对比

图4 Film C和Film N600上Nafion薄膜SLD对比

图5 碳层上树脂薄膜的SLD曲线(a-e)和体积分数(f-j)

最后，丰田通过分子动力学模拟揭示了 带正电荷的氮修饰碳表面和带负电荷的磺酸基团之间存在库伦相互作用，这种强作用力导致碳和树脂接触紧密 ，从而 抑制了催化层中Pt催化剂和树脂的强接触，缓解树脂“中毒”现象 ，提高了燃料电池性能。此外，氮修饰碳载体可以减少催化剂浆料中“非吸附树脂”的含量，这对浆料分散稳定性、粘度特性和催化层质量也至关重要。

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