亚琛工业大学Max C. Lemme等–Nafion膜的石墨烯涂层用于提高燃料电池性能

Nafion膜上的电化学剥离石墨烯（e-G）薄膜对不良燃料交叉表现出选择性屏障效应。这种方法结合了最先进的Nafion的高质子电导率和e-G层有效阻断甲醇和氢运输的能力。Nafion膜在阳极侧涂有e-G水性分散体，利用简单且可扩展的喷涂工艺。扫描透射电子显微镜和电子能量损失光谱证实了致密渗透石墨烯片状网络的形成，该网络充当扩散屏障。使用e-G涂层Nafion N₁₁₅的直接甲醇燃料电池（DMFC）操作的最大功率密度是Nafion N₁₁₅参考的3.9倍（39 与10 mW cm^–2@0.3 V），在5M甲醇进料浓度下。这表明将e-G涂层Nafion膜应用于便携式DMFC，其中需要使用高浓度甲醇。

图1.（a） 通过喷涂制造样品的示意图。（b） 比较参考MEA（顶部）和石墨烯增强MEA（底部）的两个MEA的横截面示意图。

图2:Nafion HP基板上电化学剥离石墨烯（e-G）层（130μG cm^–2负载，1μm薄片尺寸）的表面形态。（a） 在29°倾角下观察到的SEM俯视图。该层光滑且密集，单个薄片难以区分。（b） AFM测量的形貌图。（c） AFM相移图像。

图3.（a） 嵌入环氧树脂基质中的石墨烯–Nafion层系统（130μg cm^–2石墨烯负载，1μm薄片尺寸，Nafion HP）横截面的光学显微照片.（b） 在环形暗场模式（ADF-STEM）下获得的横截面扫描透射电子显微照片。石墨烯层具有图像中最高的强度。黑色箭头表示致密/光滑石墨烯膜中的缺陷.（c） 面板（b）插图中标记区域的ADF-STEM图像。单个石墨烯薄片可见为亮线.（d） 内部石墨烯参考[（e）中的红线]的相应多重线性最小二乘（MLLS）拟合到与图（c）中相同区域的记录电子能量损失映射.（e） 横截面样品中单个组分的EELS参考光谱，其来源于来自各个映射区域的局部积分STEM-EELS光谱（背景减影后）。

图4.石墨烯负载和石墨烯片状尺寸对DMFC性能的影响：绘制电池输出电压与可变电流密度的关系图，该电流密度在运行期间施加到燃料电池上。数据在65°C工作温度下记录。将Nafion N115参比膜的I-V极化曲线与石墨烯包覆的N115（a）具有不同量的石墨烯和（b）具有不同石墨烯片尺寸的极化曲线进行比较，石墨烯恒定负载量为130μg cm^–2.箭头表示通过将甲醇浓度从1M增加到5M来表示燃料电池性能的变化。含 130 微克厘米的 MEA–2与参考相比，石墨烯和1 μm片状尺寸在5M甲醇下显示出优越的性能。与 300 nm 样品相比，微米薄片显示出更好的性能。这表明较大的薄片（横向尺寸）作为阻隔层表现更好。

相关研究成果由亚琛工业大学Max C. Lemme等人2023年发表在ACS Applied Engineering Materials (https://doi.org/10.1021/acsaenm.2c00234)上。原文：Graphene Coating of Nafion Membranes for Enhanced Fuel Cell Performance。