长沙理工大学甘浪团队在提升质子交换膜燃料电池双极板耐蚀性能方面取得重要进展

2025-01-03 13:27:22 作者：腐蚀与防护来源：腐蚀与防护分享至：

1研究背景

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）作为一种高效、清洁的能源转换装置，在可持续能源领域中占据着重要的地位。在PEMFCs的结构中，双极板（BPs）是核心组件之一，它们不仅需要具有良好的导电性，还要具备优异的耐蚀性以保证电池的长期稳定运行。不锈钢因其机械性能优越、耐蚀性好和成本效益高而成为制造双极板的流行材料。然而，金属双极板的表面在阳极和阴极工作环境下容易受到腐蚀和氧化，这会降低PEMFCs的整体效率和使用寿命。因此，开发具有强耐蚀性的导电涂层是提升PEMFCs性能和寿命的有效途径。目前，已经开发了多种涂层来增强双极板的电导率和耐蚀性，包括贵金属涂层、碳基涂层、金属氮化物涂层和金属碳化物涂层。尽管这些涂层展现出了一定的效果，但它们在长期使用后可能会导致界面接触电阻（ICR）增加，从而影响金属双极板的适用性。Mn+1AXn（MAX）相作为一种新型陶瓷材料，结合了金属的电导性和陶瓷的耐蚀性，其热力学稳定的纳米层状结构不仅减少了脆性，还增强了可加工性。作为MAX相的一员，Cr₂AlC因其卓越的耐蚀性和电导性，以及优秀的高温性能，包括抗氧化和抗热腐蚀性能，受到了广泛关注。此外，Cr₂AlC的热膨胀系数与304不锈钢相近，有利于涂层与基底之间的良好附着。

2成果简介

在这项研究中，研究人员采用直流磁控溅射技术在不同基底温度下在SS304基底上原位沉积了Cr₂AlC MAX相涂层。他们研究了基底温度对涂层微观结构和耐蚀性能的影响，并评估了Cr₂AlC-600°C涂层的耐蚀机制及其在PEMFCs中的应用潜力。结果表明，优化的Cr₂AlC-600°C涂层展现出卓越的耐蚀性能，使其成为用作PEMFCs双极板的有前途的候选材料。这项工作可以指导更有效涂层材料的开发，并为理解PEMFCs中腐蚀和退化机制提供宝贵的见解。

3图文导读

图1：Cr₂AlC层在SS304基底上的沉积示意图。

图2：a) Cr₂AlC-600°C的表面形貌。b) Cr₂AlC-600°C的高分辨透射电子显微镜（HT-TEM）。c-f) SS304基底与Cr₂AlC-600°C层之间的透射电子显微镜-高角环形暗场（TEM-HAADF）和能量色散光谱（EDS）图谱。

图3：a) Cr₂AlC涂层的X射线衍射（XRD）图谱。b) XRD 2θ范围从30-90°。c-f) Cr₂AlC-600°C的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）图谱。

图4：a) 裸SS304和Cr₂AlC涂层的动电位极化曲线。b) SS304和600°C下Cr₂AlC的开路电位（OCP）-时间曲线。c, d) SS304在0.01mol/L H₂SO₄溶液中不同浸泡时间的Nyquist和Bode图。

图5：a, b) SS304和Cr₂AlC-600°C在0.01 mol/L H₂SO₄溶液中的恒电位极化曲线（a）阳极（b）阴极。c) 对应的最终稳定电流密度。d, e) 在0.01 mol/L H₂SO₄溶液中恒电位测试后的Mott-Schottky图：（d）SS304和（e）在阳极和阴极测试的Cr₂AlC-600°C上的被动膜。f) 样品在恒电位测试前后的ICR值。

4小结

研究人员通过在不同基底温度下使用直流磁控溅射技术在SS304上原位沉积Cr₂AlC MAX相涂层，发现这些涂层的耐蚀性能比SS304提高了三个数量级。所有涂层的开路电位（Eocp）在初始阶段增加，然后在电解液中浸泡500小时后稳定在200mV。这表明Cr₂AlC涂层可以显著提高SS304的耐蚀性。特别是，在600°C下沉积的Cr2AlC（Cr₂AlC-600°C）展现出MAX相含量最高和（103）取向最高，并且比SS304展现出更高的电荷转移电阻（Rct）值和更低的界面接触电阻（ICR）值。Mott-Schottky曲线揭示了Cr₂AlC在Cr₂AlC-600°C涂层中的p型半导体特性，其载流子密度低于SS304。优异的耐蚀性能可以归因于涂层与基底的强粘附、出色的应力抵抗性能以及Cr2AlC涂层的低缺陷密度。此外，涂层与基底之间的氧化物层的形成有效地阻止了腐蚀介质和离子对基底的进一步腐蚀。总体而言，这些结果表明Cr₂AlCMAX相涂层的SS304具有作为PEMFC双极板的巨大潜力。

文献：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.162018

来源：材料研究进展

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