鉑基納米材料被認(rèn)為是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)最有效的催化劑。在旋轉(zhuǎn)圓盤電極(RDE)中，所有基于鉑的納米顆粒都浸泡在液體電解質(zhì)中，可以通過水合質(zhì)子和電解質(zhì)傳輸?shù)娜芙庋跖c溶液完全接觸；對(duì)于膜電極(MEA)，質(zhì)子輸運(yùn)發(fā)生在覆蓋催化劑表面的全氟磺酸(PFSA)離聚體層(例如Nafion)上，并且氣體O₂逐漸滲透通過覆蓋的離聚體層(<10 nm厚)到達(dá)Pt表面。

磺酸基團(tuán)在Pt表面的強(qiáng)烈吸附限制了Nafion離聚體的側(cè)鏈親水作用，從而降低了離聚體的微相分離，導(dǎo)致質(zhì)量傳輸阻力進(jìn)一步增加。此外，磺酸鹽基團(tuán)可以嚴(yán)重毒害鉑位點(diǎn)，并顯著降低鉑的質(zhì)量活性。因此，消除離聚體層對(duì)鉑的有害影響，以徹底釋放鉑在MEA中的性能是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

基于此，重慶大學(xué)魏子棟、陳四國和中石化石油化工科學(xué)研究院郭琳等報(bào)道了一種阻斷策略，用環(huán)己醇精確封閉Nafion的磺酸基團(tuán)以提高Pt在MEA中的催化性能。

具體而言，環(huán)己醇的羥基氧通過配位作用與離聚體的磺酸氫連接，成功地將磺酸基從鉑表面分離出來，釋放出更多的鉑活性中心；同時(shí)，環(huán)己醇的羥基氫被激活，在不失去磺酸基團(tuán)質(zhì)子傳遞能力的情況下增加了質(zhì)子傳遞通道；

此外，具有椅型或船型構(gòu)象的環(huán)己醇也嵌入離聚體鏈中，創(chuàng)造了一個(gè)非接觸性的鉑/離聚體空間，并促進(jìn)了催化劑層中氧氣的滲透。

基于上述改進(jìn)，在環(huán)己醇催化劑層中，Pt表面的磺酸基團(tuán)覆蓋率降低到7%，遠(yuǎn)低于僅使用Nafion離聚體的催化劑層(21%)。在燃料電池實(shí)驗(yàn)中，與單獨(dú)使用Nafion離聚體的MEA相比，用環(huán)己醇制備的MEA在動(dòng)力學(xué)區(qū)域表現(xiàn)出明顯的性能提高，并且表現(xiàn)出更好的質(zhì)量輸運(yùn)性能。

最重要的是，在相應(yīng)的MEA中，Nafion離聚體中的環(huán)己醇經(jīng)過長期恒電位測試和30000個(gè)循環(huán)后顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。綜上，該項(xiàng)工作表明封閉策略是釋放鉑催化活性和改善催化劑層傳質(zhì)性能的一種有效的方法。

Blocking the Sulfonate Group in Nafion to Unlock Platinum’s Activity in Membrane Electrode Assemblies. Nature Catalysis, 2023. DOI: 10.1038/s41929-023-00949-w