随着全球能源需求激增及化石燃料引发的环境问题日益严峻，开发清洁能源技术迫在眉睫。质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其零排放、高效率及可持续性，在交通、便携设备及分布式发电领域展现出巨大潜力。气体扩散层（GDL）是PEMFC的核心部件之一，理想的GDL需要较高的机械强度和电导率，合理的孔隙率和亲疏水性（防止水淹和排出水分）。然而，传统碳基气体扩散层（GDL）难以同时满足这些特性，限制了PEMFC的商业化应用。
近日，中国科学院过程工程研究所李玉平、曹宏斌研究员团队通过静电纺丝和浸渍交联工艺，制备出具备高柔性、机械强度、导电性以及电化学性能的碳纳米纤维膜（CFM）（制备流程见图1），相关成果以“Designing Flexible Carbon Nanofiber Membranes by Electrospinning and Crosslinking for Proton Exchange Membrane Fuel Cells”为题发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
图1：工艺制备流程图
通过静电纺丝制备聚丙烯腈（PAN）基CFM，SEM图像显示未掺CNT的CFM纤维表面平滑，平均直径约0.20 μm。掺入1.5 wt% MWCNTs后，纤维表面粗糙度增加，平均直径增至0.73 μm，形成有序三维多孔网络。PEI浸渍及GA交联后，纤维间黏结增强，孔隙率略降至75.4%，但仍保持优异的气体传输能力（图2）。
图2：SEM微观表征: (a) CNT0-CFM (X5000). (b) CNT0-CFM (X20000). (c) CNT1.5-CFM (X5000). (d) CNT1.5-CFM (X20000). (e) CNT1.5/PEI7-CFM (X5000). (f) CNT1.5/PEI7-CFM (X20000). (g) CNT1.5/PEI7/GA-CFM (X5000). (h) CNT1.5/PEI7/GA-CFM (X20000).
XPS和FTIR分析证实PEI/GA交联形成席夫碱结构，氮含量从3.38%提升至6.94%，显著增强膜的化学稳定性（图3）。
图3：FTIR，XPS表征分析证明PEI/GA交联反应成功
机械测试显示，CNT1.5/PEI7/GA-CFM的拉伸强度（7.94 MPa）和抗折强度（20.65 MPa）显著优于未处理样品，同时具备较好的弯曲柔韧性（图4）。加速酸衰减测试表明，CFM结构保持稳定，接触角仅从136°略降至127°，PTFE疏水层轻微降解，纤维形貌结构完整无塌陷现象出现表明综合处理过的CFM具有优异耐久性。这些特性使其在苛刻环境下仍能维持高性能。
图4：掺杂CNTs的CFM以及PEI/GA后处理的CFM机械性能表征
CFM的面内电阻率随MWCNTs含量先增后减，1.5 wt%时电阻率最低（50.10 mΩ·cm）。PEI浸渍及GA交联进一步将电阻率降至18.60 mΩ·cm，归因于MWCNTs的导电网络及PEI/GA提供的活性位点。单电池测试表明，CNT1.5/PEI7/GA-CFM在80°C、100% RH条件下，峰值功率密度达1169 mW·cm-2，相比商业GDL更高，展现出优异的电化学性能（图5）。
图5：掺杂CNTs的CFM以及PEI/GA后处理的CFM电化学性能表征
电化学阻抗（EIS）结果表明CNT1.5/PEI7/GA-CFM样品阻抗更低，表明其具有更优的质子与电子传输性能。进一步对PEI/GA交联处理样品和未处理样品进行高电流密度下的EIS测试时，发现数据无法通过等效电路拟合解析元件参数变化。转而采用DRT技术对弛豫时间和时频阻抗变化进行定性分析，结果表明PEI/GA交联处理过的样品具有更少的弛豫过程以及更短的弛豫时间，表明能有效降低阻抗并加速质子和电子传输响应，与阻抗谱分析结论一致（图6）。
图6：PEI/GA后处理的CFM电化学阻抗测试及DRT分析
与商用GDL相比，CNT1.5/PEI7/GA-CFM在孔隙率（75.4%）、平均孔径（1664 nm）及总孔体积（2.76 mL/g）方面表现出色，兼顾气体传输与结构完整性。其拉伸强度（7.94 MPa）、抗折强度（20.65 MPa）及弯曲模量（3027 MPa）机械性能方面同样表现优异，为实际应用提高耐久性和延长使用寿命。极限电流密度和极限功率密度均优于商用GDL，显示出作为下一代GDL的巨大潜力，适用于交通、便携设备及分布式发电等领域。该研究通过静电纺丝与交联技术结合，为PEMFC的规模化应用提供了创新解决方案，具有广阔的商业化前景。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.5c02589
人物简介：
李玉平，中国科学院过程工程研究所研究员，博士生导师，国家能源高效清洁炼焦技术重点实验室副主任，北京市过程污染控制工程技术中心副主任，中国科学院大学岗位教授。主要从事绿色低碳环保功能性材料研究与产业化应用，相关成果获2018年国家科技进步奖二等奖和2024年度环境技术进步一等奖等省部级一等奖5项。授权发明专利70余项，50多项专利得到产业化应用，创造利税数十亿元，主持编写工程技术规范和指南等国家标准3项。
