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第一作者：李惠

通訊作者：徐銅文、楊正金

通訊單位：中國科學技術大學

論文速覽

最先進的高溫聚合物電解質膜燃料電池（HT-PEMFC），使用摻雜磷酸的聚苯并咪唑（PBI）材料平臺，對于長途運輸很有前景，但存在輸出功率低、鉑（Pt）利用率低以及在惡劣/動態操作條件下磷酸快速流失的問題。

本文報道了一種多功能含磷離子聚合物粘合劑（PFPA-PIM-SBI），該粘合劑源自本征微孔聚合物（PIMs），用于解決高溫質子交換膜燃料電池（HT-PEMFCs）中的幾個關鍵問題。

PFPA-PIM-SBI通過共價鍵合的五氟苯基磷酸基團增強了質子傳導性，其高度扭曲的分子構型可能阻止了苯基團在鉑催化劑上的不利吸附，同時聚合物鏈封裝的阻滯提供了高微孔性，有助于氣體和產物的快速質量傳輸。

這些特性共同促成了高性能的H₂/O₂燃料電池，實現了約50%的高Pt利用率，240 °C時的峰值功率密度超過1000 mW cm^-2，以及在超低Pt負載量0.07 mg cm^-2下，Pt質量比峰值功率密度達到6.4 W mgPt^-1。

研究還發現，PFPA-PIM-SBI的非典型磷酸吸附性可以防止磷酸從膜到電極的遷移和隨后流失，使得在超低鉑載量或在加速應力測試下的燃料電池壽命更長。

圖文導讀

圖1：PFPA-PIM-SBI的合成和分子構型，以及控制離子聚合物PFPA-TP、PVDF和PBI的N₂吸附-脫附等溫線和³¹P NMR譜。

圖2：PFPA-PIM-SBI離子聚合物粘合劑改善的三相界面示意圖，以及從分子動力學模擬得到的PFPA-PIM-SBI、PFPA-TP、PVDF和PBI離子聚合物在離子聚合物-鉑界面附近的O₂分布，以及不同離子聚合物的動態水蒸氣吸附等溫線。

圖3：PFPA-PIM-SBI基H₂/O₂燃料電池在提升的溫度和不同Pt載量下的性能，以及在不同Pt負載量下HT-PEMFC H₂/O₂燃料電池的Pt質量特異性峰值功率密度的比較。

圖4：PFPA-PIM-SBI在膜電極界面對PA的非典型潤濕性示意圖，以及在動態切換電流密度和高頻的啟動/關閉中斷下，PFPA-PIM-SBI或PA-PBI作為離子聚合物粘合劑組裝的H₂/O₂ HT-PEMFC的電池電壓記錄。

總結展望

本研究中，作者概述了理想電極離子聚合物粘合劑材料的幾個特征，以PFPA-PIM-SBI為例，這是一種源自本征微孔聚合物的含磷離子聚合物粘合劑。PFPA-PIM-SBI為高達240°C的高溫H₂/O₂燃料電池提供了顯著的功率輸出、鉑利用率和耐久性，超越了已報道的HT-PEMFC膜電極組裝（MEAs）的性能。PFPA-PIM-SBI的非典型PA潤濕性，有效地防止了PA的損失，并顯著提高了MEA的穩定性。

這一發現顯著提高了PA-PBI膜基HT-PEMFC在各種操作條件下的耐久性，包括高鉑載量和超低鉑載量以及動態電流和氣體化學計量比切換循環，頻繁的啟動/關閉循環。因此，使用PFPA-PIM-SBI作為粘合劑材料為減少HT-PEMFC中的鉑載量和提高耐久性提供了重要機會，特別是在重型車輛應用的背景下。未來的工作應致力于合成磷酰化聚合物膜，這些膜由于磷酸基團之間的強氫鍵相互作用而太脆。

文獻信息

標題：Electrode binder design for high-power, low-Pt loading and durable high temperature fuel cells

期刊：Energy & Environmental Science

DOI：10.1039/D4EE00646A

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中科大徐銅文/楊正金團隊EES：多功能粘合劑，實現高功率、低鉑載量和耐用高溫燃料電池！

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