使用基于微/纳米结构阵列（例如有序Nafion阵列）的有序催化剂层，已显示出在减少催化剂负载和提高燃料电池性能方面的巨大潜力。然而，大多数现有有序Nafion阵列的基本单元（例如Nafion柱或锥）的尺寸（直径）通常限于微米或亚微米尺寸。如此小的尺寸仅提供有限数量的质子转移通道和小的催化剂负载比面积。
近日，中科大Yi Cui，Xiaochun Zhou，大连理工大学Yujiang Song通过优化Nafion溶剂、热退火温度和阳极氧化铝(AAO)模板的剥离模式，成功制备了柱直径仅为40 nm(D40)的有序Nafion阵列。
文章要点
1）D40的密度为2.7×1010 pillars/cm2，提供了丰富的质子传输通道。此外，D40的比表面积高达51.5 cm2/cm2，为催化剂负载提供了较大的面积。这又导致催化剂层和气体扩散层之间的界面变得更近。
2）因此，燃料电池的峰值功率密度为1.47（阵列作为阳极）和1.29W/cm2（阵列作为阴极），分别是没有阵列的3.3和2.9倍。此外，催化剂负载量显著降低至17.6（阵列作为阳极）和61.0 μg/cm2（阵列作为阴极）。因此，纳米级Nafion阵列已被证明具有高燃料电池性能和低Pt催化剂负载。此外，该研究还为水电解和电合成催化剂层的设计提供了指导。
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Fandi Ning, et al, Nanosized Proton Conductor Array with High Specific Surface Area Improves Fuel Cell Performance at Low Pt Loading, ACS Nano, 2023
DOI: 10.1021/acsnano.3c01690
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c01690
