Nano Energy：多尺度图案化膜和可控金属断裂层用于高性能甲醇燃料电池的界面工程

【引言】

直接甲醇燃料电池（DMFC）作为一种理想的电源由于其高能量密度，环境友好性以及易于处理的特点受到了广泛的关注，其能够满足便携式电子产品日益增长的需求。尽管如此，为了使DMFC商业化，需要克服诸如高催化剂负载和大系统体积等一些阻碍。在DMFC组件中，膜电极组件（MEA）是最重要的。作为燃料电池的核心部件，MEA分别通过甲醇的电化学氧化和在阳极和阴极处的氧气还原来发电。

【成果简介】

近日，江原国立大学Yong-Hun Cho、首尔大学Yung-Eun Sung、Mansoo Choia（共同通讯）等人报道了一种通过蠕变辅助顺序压印和简单拉伸技术在催化剂层和膜之间引入多尺度图案化膜和可控金属断裂层的界面工程方法。具有多尺度图案化膜的MEA覆盖整个表面，甚至覆盖到微结构的侧表面上，由于减薄电极提高了质量传输，活性中心的有效利用以及增强的Pt利用率，电池显示出显著改善的性能。为了获得进一步的性能增强，团队将可控金断裂层与多尺度图案化的膜结合到MEA中。电化学无活性的薄金层充当甲醇交叉的物理屏障，并且可控的裂缝提供多个质子通路。相关成果以题为“Interface engineering for high-performance direct methanol fuel cells using multiscale patterned membranes and guided metal cracked layers”发表在了Nano Energy上。

【图文导读】

图1 通过热压印制造多尺寸棱柱形图案膜的示意图

多尺度棱镜模具是基于蠕变顺序压印法制造的，这是该团队以前为了构建多尺度结构而开发的

图2 结构表征

（a-c）（a）平面基准，（b）棱镜图案（P-10）和（c）多尺寸棱镜图案（MP-10）膜表面的SEM图像

（d-f）所制备的CCM阳极催化剂层的（d）平面，（e）棱镜图案（P-10）和（f）多尺度棱镜图案（MP-10）FIB辅助横截面SEM图像

图3 极化曲线和EIS光谱

（a）带有棱镜（P-10）和多尺度棱镜图案（MP-10）膜的MEAs单细胞极化曲线

（b）带有棱镜（P-10）和多尺度棱镜图案（MP-10）膜的MEAs的EIS光谱

图4 机械拉伸示意图及SEM图像

（a）通过简单的机械拉伸（〜0.25的应变）产生的Au裂纹的示意图

（b）Au裂纹的棱柱图案（P-10-Au）和多尺度棱柱图案（MP-10-Au）膜表面的SEM图像

【小结】

该研究开发了一种通过蠕变辅助顺序压印和简单拉伸技术在催化剂层和膜之间引入多尺度图案化膜和可控金属断裂层的界面工程的方法，相信研究报道的界面工程为制造高性能燃料电池提供了一条切实可行的途径，并具有应用于其他能源设备的潜力。

文献链接：Interface engineering for high-performance direct methanol fuel cells using multiscale patterned membranes and guided metal cracked layers（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.011）

本文由材料人新能源组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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