在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中, 产生的自由基会攻击质子交换膜, 使其开裂或形成孔洞, 导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此, 本文合成了Sn掺杂CeO2自由基清除剂, 通过提高Ce3+浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能, 避免PEM厚度迅速减薄, 从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明, Sn掺杂会引起CeO2产生晶格畸变, 降低氧空位形成能, 促进CeO2中Ce3+的形成。同时, Sn2+的加入可将CeO2-Sn样品中的Ce4+还原为Ce3+, 提升Ce3+的浓度, 从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明, 经70 h的开路电压衰减测试, CeO2-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%), 且功率保留率(56%)比其他样品更高, 表明该样品具有更优异的耐久性。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有能量转换效率高、功率密度大、室温启动快、噪音低和零污染等特点, 有望减少二氧化碳排放量, 缓解能源危机, 在轨道交通、航空航天等领域具有广阔的应用前景。催化剂是PEMFC的关键材料, Pt催化氧还原反应活性和稳定性好, 是广泛使用且很难被取代的电催化剂。然而Pt储量低、价格昂贵, 导致PEMFC成本较高, 使用Pt载体可减少PEMFC的Pt负载量, 提高Pt利用率。碳材料具有成本低廉、比表面积大、孔结构丰富、电导率和表面性质可调等特性, 是广泛应用的Pt载体。商用的炭黑载体对Pt的利用效率低, 抗电化学腐蚀性较差。为了进一步提高PEMFC的性能和持续性, 需要研发能够均匀负载Pt、高效利用Pt、抗电化学腐蚀性强且导电性好的碳载体, 进而实现PEMFC的大规模应用。炭气凝胶、碳纳米管和石墨烯等新型碳载体具有独特的结构和性质, 可以提高PEMFC性能和寿命, 引起了研究者的广泛关注。本文对近年来PEMFC新型碳材料Pt载体的研究进展进行了较为详细的综述, 并对其发展趋势作出了适当评论。