【燃料】Nat. Commun.：通过氢键键合微孔聚合物粘合剂实现高性能燃料电池电极的低Pt负载

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。

文章要点

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。

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。H₂-O₂和H₂-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，H₂-O₂电池的最高Pt质量比功率密度高达38 W mg_Pt^-1，H₂-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。

参考文献

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