Nafion膜上的電化學(xué)剝離石墨烯（e-G）薄膜對(duì)不良燃料交叉表現(xiàn)出選擇性屏障效應(yīng)。這種方法結(jié)合了最先進(jìn)的Nafion的高質(zhì)子電導(dǎo)率和e-G層有效阻斷甲醇和氫運(yùn)輸?shù)哪芰?。Nafion膜在陽(yáng)極側(cè)涂有e-G水性分散體，利用簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的噴涂工藝。掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失光譜證實(shí)了致密滲透石墨烯片狀網(wǎng)絡(luò)的形成，該網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)擴(kuò)散屏障。使用e-G涂層Nafion N
115的直接甲醇燃料電池（DMFC）操作的最大功率密度是Nafion N
115參考的3.9倍（39 與10 mW cm
–2@0.3 V），在5M甲醇進(jìn)料濃度下。這表明將e-G涂層Nafion膜應(yīng)用于便攜式DMFC，其中需要使用高濃度甲醇。
圖1.（a） 通過(guò)噴涂制造樣品的示意圖。（b） 比較參考MEA（頂部）和石墨烯增強(qiáng)MEA（底部）的兩個(gè)MEA的橫截面示意圖。
圖2:Nafion HP基板上電化學(xué)剝離石墨烯（e-G）層（130μG cm
–2負(fù)載，1μm薄片尺寸）的表面形態(tài)。（a） 在29°傾角下觀察到的SEM俯視圖。該層光滑且密集，單個(gè)薄片難以區(qū)分。（b） AFM測(cè)量的形貌圖。（c） AFM相移圖像。
圖3.（a） 嵌入環(huán)氧樹(shù)脂基質(zhì)中的石墨烯–Nafion層系統(tǒng)（130μg cm
–2石墨烯負(fù)載，1μm薄片尺寸，Nafion HP）橫截面的光學(xué)顯微照片.（b） 在環(huán)形暗場(chǎng)模式（ADF-STEM）下獲得的橫截面掃描透射電子顯微照片。石墨烯層具有圖像中最高的強(qiáng)度。黑色箭頭表示致密/光滑石墨烯膜中的缺陷.（c） 面板（b）插圖中標(biāo)記區(qū)域的ADF-STEM圖像。單個(gè)石墨烯薄片可見(jiàn)為亮線.（d） 內(nèi)部石墨烯參考[（e）中的紅線]的相應(yīng)多重線性最小二乘（MLLS）擬合到與圖（c）中相同區(qū)域的記錄電子能量損失映射.（e） 橫截面樣品中單個(gè)組分的EELS參考光譜，其來(lái)源于來(lái)自各個(gè)映射區(qū)域的局部積分STEM-EELS光譜（背景減影后）。
圖4.石墨烯負(fù)載和石墨烯片狀尺寸對(duì)DMFC性能的影響：繪制電池輸出電壓與可變電流密度的關(guān)系圖，該電流密度在運(yùn)行期間施加到燃料電池上。數(shù)據(jù)在65°C工作溫度下記錄。將Nafion N115參比膜的I-V極化曲線與石墨烯包覆的N115（a）具有不同量的石墨烯和（b）具有不同石墨烯片尺寸的極化曲線進(jìn)行比較，石墨烯恒定負(fù)載量為130μg cm
–2.箭頭表示通過(guò)將甲醇濃度從1M增加到5M來(lái)表示燃料電池性能的變化。含 130 微克厘米的 MEA–2與參考相比，石墨烯和1 μm片狀尺寸在5M甲醇下顯示出優(yōu)越的性能。與 300 nm 樣品相比，微米薄片顯示出更好的性能。這表明較大的薄片（橫向尺寸）作為阻隔層表現(xiàn)更好。
相關(guān)研究成果由亞琛工業(yè)大學(xué)Max C. Lemme等人2023年發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
