雙極板 (BP) 是質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC) 的關(guān)鍵部件之一。在 BP 材料中，金屬 BPs 因其優(yōu)異的綜合性能而被廣泛使用。然而，BP與氣體擴(kuò)散層之間的界面接觸電阻（ICR）以及酸性操作條件下金屬BP的腐蝕會(huì)降低PEMFC的性能和穩(wěn)定性。在此，提出了一種鈦 (Ti) 合金 BP 表面強(qiáng)化的方法，該方法通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法直接生長(zhǎng)的垂直石墨烯 (VG) 涂層。與裸鈦合金相比，在模擬的 PEMFC 運(yùn)行環(huán)境中，VG 涂層鈦合金的腐蝕速率降低了 1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，ICR 降低了≈100 倍，而它的熱導(dǎo)率提高了≈20%，水接觸角增加了68.1°。結(jié)果可以解釋為，VG 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)能夠在 PEMFC 中實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電和熱傳導(dǎo)，并且高度疏水的 VG 涂層抑制腐蝕性液體的滲透并有助于水管理。這項(xiàng)研究為通過(guò)用于能源和催化劑應(yīng)用的高性能電極的堅(jiān)固且多功能的 VG 涂層來(lái)增強(qiáng)金屬表面開(kāi)辟了新的機(jī)會(huì)。
Figure 1.導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、耐腐蝕性和疏水性增強(qiáng)的 VG-Ti 合金示意圖。
Figure 2. 采用 PECVD 方法在 Ti 合金上直接生長(zhǎng) VG。 a) 裸鈦合金和 VG-Ti 合金的照片。生長(zhǎng)條件：20 sccm CH
4， 600℃下 2 小時(shí)。 b) VG 的 SEM 圖。插圖：VG 的側(cè)視 SEM 圖；比例尺：200 nm。 c) VG 的 AFM 圖。 d) 裸鈦合金和 VG-Ti 合金的 XRD 圖。 e) VG 的典型拉曼光譜。 f) VG 的 C 1s 的 XPS 信號(hào)。在本文所有圖中，Ti 指的是 Ti 合金，VG-Ti 指的是 VG-Ti 合金。
Figure 3. VG 涂層與 Ti 合金基體之間界面的表征。 a) 裸鈦合金的橫截面 TEM 圖。黑色虛線突出顯示了鈍化氧化層的位置。 b，c）VG-Ti合金的橫截面TEM圖。 (a) 和 (b) 中的鉻 (Cr) 層是熱沉積的，以保護(hù)樣品在樣品制備過(guò)程中免受可能的損壞。 d-g) (d) C、(e) Ti、(f) O、(g) Cr 和 h) 對(duì)應(yīng)的 VG-Ti 合金的 HAADF 圖的 EDS 元素映射。 （b-h）中的白色虛線顯示了過(guò)渡層的位置。 i) VGTi 合金的 ToF-SIMS 分析。
Figure 4. a）Ti-VG合金界面導(dǎo)電性增強(qiáng)示意圖b）ICR作為純鈦合金和VG-Ti合金壓實(shí)壓力的函數(shù)。c）純鈦合金和VG-Ti合金的導(dǎo)熱系數(shù)與溫度的函數(shù)d，e）鈦合金和VG鈦合金的水CAs。（f）純鈦合金和VG-Ti合金in0的動(dòng)電位極化曲線和（g）Bode圖。室溫下的 0.5 M H
2SO
4 和 5 ppm HF 溶液。
Figure 5.VG-Ti合金在模擬PEMFC運(yùn)行環(huán)境下的防腐性能。 a,b) 裸 Ti 合金和 VG-Ti 合金在 0.5 M H
2SO
4 和 5 ppm HF 溶液中的動(dòng)電位極化曲線，在 80℃下用 H
2 或空氣鼓泡，分別模擬 (a) 陽(yáng)極或 (b) 陰極環(huán)境。 c) 各種報(bào)道的鈦基 BP 材料的腐蝕電流密度（y 軸）和 ICR（x 軸）的比較。 d，e）Ti合金和VG-Ti合金在模擬（d）陽(yáng)極和（e）陰極環(huán)境中的恒電位極化曲線。 f-i) 與 (d) 和 (e) 中的樣品相對(duì)應(yīng)的恒電位極化測(cè)量后裸 Ti 合金和 VG-Ti 合金的 SEM 圖。比例尺：2μm。
相關(guān)研究工作由北京大學(xué)Hailin Peng和Zhongfan Liu課題組于2022年在線發(fā)表在《ADVANCED MATERIALS》上。原文：Vertical Graphene-Reinforced Titanium Alloy Bipolar Plates in Fuel Cells 。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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