有序Nafion陣列因其在降低催化劑載量，提高燃料電池性能方面的巨大潛力而引起了大家的廣泛研究興趣。目前，有序Nafion陣列的尺寸已經從最初的微米級減小到現在的亞微米級，納米尺寸的有序Nafion陣列成為其發展的必然趨勢。這主要是因為有序Nafion陣列尺寸的減小能夠帶來三個方面的提升：高的陣列密度提供更多的質子傳遞通道，高的比表面積提高催化劑的利用率，催化層與擴散層更多的接觸位點減小界面傳遞阻力。但是，納米尺寸有序Nafion陣列較低的機械強度給其制備以及應用都帶來了極大的困難（圖 1）。 

　　　　圖 1. 有序Nafion陣列尺寸的發展趨勢、尺寸優勢以及納米尺寸有序Nafion陣列的制備挑戰 

近日，中科院蘇州納米所周小春研究員、崔義研究員，大連理工大學宋玉江教授等在ACS Nano上發表了高比表面積，納米尺寸有序Nafion陣列提高燃料電池性能，降低Pt催化劑載量的研究。相較于已經報道的制備方法，該工作創新的通過Nafion乳液溶劑，Nafion陣列熱退火溫度，以及Nafion陣列剝離方式三個方面的研究實現了納米尺寸有序Nafion陣列的制備（圖2）。首先，使用DMSO作為Nafion乳液溶劑，并在140℃ 下進行熱退火處理顯著提高了納米尺寸有序Nafion陣列的機械強度，其機械強度高達17.5 MPa，并高于商業Nafion 212的11.9 MPa。 進一步，邊緣刻蝕的方式避免了納米尺寸有序Nafion陣列剝離過程中大量氫氣的產生與聚集，以及較高氫氣壓力對于Nafion陣列的破壞，Nafion膜的穿孔。最終成功制備了高機械強度，形貌完好的納米尺寸有序Nafion陣列（圖 3）。

　　成功制備的納米尺寸有序Nafion陣列的直徑僅為40 nm（D40），密度高達2.7×10¹⁰柱/cm²，遠高于文獻中已經報道的Nafion陣列的密度。高密度的Nafion陣列提供了豐富的質子傳遞通道，有利于催化層內質子傳遞阻力的降低。其次，比表面積高達51.5 cm²/cm²，為催化劑的負載提供了較大的比表面積，有利于催化劑利用率的提高（圖4）。進一步，納米尺寸有序Nafion陣列的尺寸優勢在燃料電池上得到了很好的證明。如圖 5所示，有序Nafion陣列作為陽極一側時，相較于尺寸更大的D400(400 nm)， D100（100nm），D40峰值功率密度最高，高達1.47 W/cm²_。與此同時，催化劑載量僅為17.6 μg_Pt/cm²。此外，D40用于陰極一側，在61.0 μg_Pt /cm²的載量下，峰值功率密度可以達到1.29 W/cm²。與已經報道的文獻相比，納米尺寸有序Nafion陣列無論應用與陽極一側還是陰極一側，均能夠在較低的催化劑載量下獲得較高的峰值功率密度。此外，該工作還為電解水和電合成催化層的合理設計提供了科學的指導。 

　　　　圖 2. 該研究中納米尺寸有序Nafion陣列的制備流程與已報道的制備流程的對比 

　　　　圖 3.納米尺寸有序Nafion陣列制備流程的影響 

　　　　圖 4.有序Nafion陣列尺寸與Nafion陣列密度、比表面積的關系 

　　　　圖 5.納米尺寸有序Nafion陣列在燃料電池中的應用 

　　相關論文以Nanosized Proton Conductor Array with High Specific Surface Area Improves Fuel Cell Performance at Low Pt Loading為題發表在ACS Nano上，中科院蘇州納米所博士后寧凡迪、大連理工大學博士研究生秦嘉琪為論文的共同第一作者。中科院蘇州納米所崔義研究員、大連理工大學宋玉江教授和中科院蘇州納米所周小春研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點研發計劃、中國博士后基金、蘇州市碳達峰碳中和科技支撐重點專項等項目資助。 

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