离子流体促进离聚物薄膜中的氧气传输研究

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.fmre.2021.09.004

简介

质子交换膜燃料电池一般包括了流场板、气体扩散层、微孔层、催化层和质子交换膜，其中催化层提供了电化学反应发生的场所，因此其对燃料电池的性能影响很大。以阴极侧的催化层为例，其内部存在着催化剂颗粒和载体以及离聚物电解质，形成了极其复杂的微观结构，氧气、质子和电子需要传输到达催化剂表面发生反应。在铂载量较低的时候，氧气高的传输阻力（尤其是离聚物薄膜中的传输阻力）严重影响了燃料电池功率密度的提升。我们之前的研究（ACS Nano 2020, 14, 17487−17495，J. Electrochem. Soc. 2021, 168, 014511）发现铂表面形成的致密结构是导致氧气传输阻力的主要因素，因此本研究探讨利用一种离子流体来抑制致密结构的形成，从而促进氧气传输。本研究主要利用分子动力学模拟的方法来探究微观尺度的氧气传输现象。

图1 分子动力学模拟建立过程

研究方法

未加入离子流体时，离聚物薄膜根据密度分布特点可分为三个区域，区域一：离聚物-铂界面区域、区域二：薄膜中间区域、区域三：离聚物-气体界面区域，其中离聚物-铂界面区域具有致密结构，且存在离聚物长链的紧密排布，这是导致氧气传输阻力的主要原因（J. Electrochem. Soc. 2021, 168, 014511）。三维铂颗粒周围的离聚物-铂界面又包括了氧气传输的低阻力区和高阻力区（ACS Nano 2020, 14, 17487−17495）。如图2所示，我们发现加入离子流体之后，离聚物薄膜仍可分为三个区域，只不过区域一的结构发生的重大改变，因为离子流体抑制了离聚物长链的紧密排布（如图2d所示）。

图2 加入离子流体前后，离聚物薄膜的密度分布和区域一结构对比

 

我们又对比了加入离子流体前后，区域一的氧气平均密度和氧气穿过离聚物薄膜的传输流量，如图3所示，加入离子流体之后，区域一氧气的密度被提升了将近一个量级，且随着离子流体数量的增加而增加。如图4所示，加入离子流体之后，氧气的传输流量也被提升了将近8倍。

图3 加入离子流体前后，区域一氧气平均密度对比

图4加入离子流体前后，氧气传输流量对比

 

为了进一步探讨离子流体对氧气密度和氧气传输流量的提升机制，我们分析了区域一的物质分布，如图5a-c所示，云图表示离子流体阳离子[MTBD]的密度分布，等值线依次表示阳离子正上方氧气密度、氧气溶解度和自由空间的分布，我们可以发现阳离子的正上方存在的较大的自由空间，因此导致了该位置处具有较大的氧气溶解度，从而提升了氧气的密度。图5d表示了氧气与离聚物分子、水分子、离子流体中碳原子或氧原子的径向分布函数，可以发现氧气与离子流体的径向分布函数的峰值最高，说明在区域一中的氧气最靠近离子流体，是在离子流体周围传输的，或者说离子流体为氧气传输提供了通道，因此氧气的传输流量得到了大幅提升。

图5 区域一物质分布和径向分布函数

 

本研究主要讨论了铂表面加入离子流体对氧气传输的影响，未来将考虑探讨对质子和水分子传输以及电化学反应的影响。