A Molecule Assembly Route to Simultaneously Detoxify Platinum Sites and Disentangle Reactant Transport Paths in Proton Exchange Membrane Fuel Cells

化学 铂金 质子交换膜燃料电池 质子输运 膜 分子 电化学 磺酸盐 催化作用 化学工程 物理化学 电极 有机化学 生物化学 钠 工程类
作者
Meihua Tang,Huangli Yan,Zhenying Zheng,Hao Zhang,Chendi Yu,Bin Liu,Shengli Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (23): 19931-19940 被引量:17
标识
DOI:10.1021/jacs.5c04479
摘要

Substantially reducing the platinum (Pt) usage is essential for large-scale application of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs), a key hydrogen-energy technology promising a carbon-neutral future. Currently, the low-Pt PEMFCs suffer from sluggish reaction and transport kinetics in the cathodic catalyst layers (CCLs) caused by the adsorption of perfluorinated sulfonic acid (PFSA) ionomers to Pt via the side chains and the accompanying uneven PFSA aggregation. Herein, we demonstrate, through detailed physical and electrochemical characterizations and molecular dynamics simulations, that β-cyclodextrin with a unique chemical and geometric structure can effectively address these issues through a molecule assembly route. On one side, β-cyclodextrin forms a hydrogen-bonded molecular assembly with PFSA, which effectively mitigates sulfonate poisoning to Pt, produces ordered hydrophilic domains for rapid proton transport, and at the same time increases the porosity crossing CCL. On the other side, the hydrophobic β-cyclodextrin nanocavities provide ideal O2 diffusion paths. The thus formed CCL and Pt/ionomer interface with enriched catalytic sites, and well-segregated and ordered O2 and proton transport channels, remarkably boost the fuel cell performance.
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