我院博士生樊林浩在国际著名期刊“ACS Nano”上发表学术论文

（通讯员 樊林浩）近日，我院2018级博士研究生樊林浩在燃料电池催化层氧气传输机理方面取得了重要进展，相关研究成果以“Oxygen Transport Routes in Ionomer Film on Polyhedral Platinum Nanoparticles”为题发表在国际TOP期刊ACS Nano上。ACS Nano是目前国际纳米科学领域最具有影响力的刊物之一，其2019年的影响因子为14.588。我院焦魁教授和美国加州大学尔湾分校Yun Wang教授为该论文的共同通讯作者。

质子交换膜燃料电池具有清洁无污染、能量密度高、动态响应快等优势，是极具潜力的下一代车用动力装置。目前燃料电池汽车的商业化已初步形成，各大汽车公司都推出了自己的氢燃料电池汽车。以丰田为例，其在2020年发布的第二代燃料电池汽车（Mirai 2020）的电堆功率密度已经达到了4.4 kW L-1。然而目前汽车界的目标是9.0 kW L-1。因此提升燃料电池的功率密度并降低铂载量仍是未来的主要任务。催化层是燃料电池的核心部件，其是电化学反应发生的场所，降低催化层中的铂载量会显著增加氧气在电解质薄膜中的传输阻力，进而影响燃料电池功率密度的提升。于是，探究氧气分子在铂颗粒周围电解质薄膜中的传输机理对于燃料电池功率密度的提升至关重要。

该论文探究了氧气分子在铂颗粒周围电解质薄膜中的传输机理，利用分子动力学模拟的方法，对多面体铂颗粒面、边和角附近的电解质结构进行了分析，发现由于面上铂原子对电解质的吸引力较强，导致面上存在着致密的高分子聚合物长链结构，阻碍了氧气分子的渗透传输，而铂颗粒边和角附近的电解质结构较为疏松。研究发现约有90%的氧气分子渗透到达铂颗粒的边和角，而到达铂颗粒面的氧气分子小于10%。因此可以推断出在铂颗粒周围，由于其面上电解质的致密结构，氧气渗透阻力很高，氧气分子主要渗透穿过铂颗粒边和角周围的电解质，到达反应位置参加电化学反应。该氧气传输机理的发现对于质子交换膜燃料电池催化层的结构设计和材料开发具有重要的指导意义^[1]。

近年来，樊林浩同学主要致力于质子交换膜燃料燃料电池催化层微观结构及物质输运机理方面的研究。他之前曾研究了催化层的质子传输通道和电化学表面积，发现了催化层中电解质的含水量对电化学表面积的影响机制^[2]；此外还曾研究高分子聚合物电解质相结构及氧气传输机理，发现了高分子聚合物的侧边链长度对电解质结构和氧气传输影响很大，较短的侧边链会导致电解质的结构更加均匀、导热系数更高、氧气的扩散系数更高^[3]。

[1] Fan, L.; Wang, Y.; Jiao, K. Oxygen Transport Routes in Ionomer Film on Polyhedral Platinum Nanoparticles. ACS Nano, 2020. https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c07856

[2] Fan, L.; Wu, K.; Tongsh, C.; Zhu, M.; Xie, X.; Jiao, K. Mechanism of Water Content on the Electrochemical Surface Area of the Catalyst Layer in the Proton Exchange Membrane Fuel Cell. The Journal of Physical Chemistry Letters, 2019, 10(20), 6409-6413.

[3] Fan, L.; Xi, F.; Wang, X.; Xuan, J.; Jiao, K. Effects of Side Chain Length on the Structure, Oxygen Transport and Thermal Conductivity for Perfluorosulfonic Acid Membrane: Molecular Dynamics Simulation. Journal of the Electrochemical Society, 2019, 166, F511- F518.