Nature Commun.：氢键微孔聚合物粘合剂实现低Pt负载高性能燃料电池

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基于磷酸掺杂的聚苯并咪唑膜的燃料电池的一个关键挑战是高 Pt 负载，这是由于低的电极性能所需要的，低的电极性能是由于差的质量传递和通过在 Pt 表面上的酸吸收的严重 Pt 中毒。

近日， 中国科学院煤化学研究所 Nanwen Li ， Hongying Tang ，丹麦技术大学 Qingfeng Li 对一系列具有内在微孔性 (PIM) 的聚合物通过引入官能团进行改性。该聚合物的气体渗透性比传统的催化剂粘合剂 PTFE 和 mPBI 高两个数量级。

本文要点

要点1.  引入的官能团具有不同的 pK _a 值和氢键 / 酸碱相互作用的能力。粘合剂聚合物与 PA 的相互作用通过 PA 结合能和氢键结合能来表征，并通过理论计算、酸掺杂 / 溶胀和 NMR 谱来研究。四唑官能化聚合物 (PIM-Tz) 显示出最佳的特性，特别是比 PA 在 Pt 颗粒上的吸附能更高的 PA 结合能。这使得 PIM-Tz 成为优先保留催化剂层中 PA 的理想粘合剂，这确保了离子导电性，同时减轻了 Pt 颗粒的酸溢流和吸附。固有的微孔性和增强的 PA 结合能的结合改善了气体扩散电极在扩展的三相边界、传质方面的性能，从而改善了燃料电池的整体性能。

要点2.  在催化剂层中使用 10 wt% PIM-Tz 制造优化电极，铂负载量为 0.35 mg _Pt cm ^-2 。 H ₂ -O ₂ 和 H ₂ - 空气操作下的燃料电池测试显示峰值功率密度分别为 832 mW cm ^-2 和 536 mW cm ^-2 。最重要的是，在仅 0.15 mg _Pt cm ^-2 的低 Pt 负载下， H ₂ -O ₂ 电池的最高 Pt 质量比功率密度高达 38 W mg _Pt ^-1 ， H ₂ - 空气电池的最高 Pt 质量比功率密度高达 24 W mg _Pt ^-1 。这些优异的性能与文献报道的相比具有很强的竞争力。

因此，具有高 PA 结合能的氢键依赖性 PIM-Tz 作为粘合剂材料的应用为降低催化剂负载提供了很大的机会，并为商业 HT-PEMFC 提供了可行的节约成本的替代方案。

Tang, H., Geng, K., Aili, D. et al. Low Pt loading for high-performance fuel cell electrodes enabled by hydrogen-bonding microporous polymer binders. Nat Commun 13, 7577 (2022).

DOI: 10.1038/s41467-022-34489-x

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34489-x

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