2020 年 2月 5 日 (周三) 22:08 我们收到了 Journal of Materials Chemistry A 的接收函，标志着这个历时 9 年的课题，在经历了许多艰难险阻之后取得阶段性成果。这篇文章的主要内容是制备了一种以 Nafion 阵列为基础的高性能燃料电池有序膜电极。在这个对新冠病毒大举反攻的特殊日子里，这个工作的接收给我们带来了更多的鼓舞和温暖。让我们相信，只要在正确的道路上坚持住，一切难关终将过去。

这是一个看似很小的工作，也看似不难的工作，结果却历时 9 年，也是大大超出我们自己的想象。这个工作的概念很简单，就是在 Nafion 膜的表面做一层高密度的 Nafion 阵列，然后把 Pt 催化剂负载上，再做成燃料电池的膜电极。这一设想由来已久，但是真正把实验明确的设计出来是在 2011 年底。下图为我们当时设计的实验方案，当时还提出了两个最大的问题：即 Nafion 阵列的直立问题和催化剂的负载问题。

非常庆幸，这个研究计划得到了国家自然科学基金的支持，使我们从 2014 年开始到 2017 年可以有比较稳定的支持，可以从容不迫的开展这个工作。其实，  2013 年我们自己已经开始了研究，当时工作的进展还是挺顺利的，在 2-3 个月内已经可以顺利制备出长径比很高的 AAO 模板。接下来，虽有波折，但是 Nafion 阵列也可以顺利做出来，一切显得那么美好，那么顺利。可是，谁也不知道，艰难的旅程才刚刚开始。

从 2014 年 9 月份开始，Pt/C 催化剂填充一直没有进展，如图 2 所示。由于团聚的问题，Pt/C 催化剂总是浮在 Nafion 阵列的表面，无法渗透到 Nafion 阵列的内部。这种情况带来的后果是，Nafion 阵列无法起到该有的作用，而催化剂层的质子电导也不能提高。接下来的 3 年一直在想各种办法解决这个问题，但是进展一直不大。催化剂怎么也无法顺利填充到 Nafion 阵列中，这也应证了我们开始的实验设想。

幸运的是，偶然的机会，迎来了转机。这要感谢我们研究所（中科院苏州纳米所）的测试平台，他们的设备齐全、也很开放、而且热心。经过交流之后，他们在我们的 Nafion 阵列膜上成功磁控溅射上一层 Pt，可以作为燃料电池的催化剂，他们不辞辛苦，更换靶材，摸索实验条件。终于把 Pt 催化剂均匀的填充到了 Nafion 阵列的内部，整个制备流程终于打通，如图（3）所示，而且电池的性能还挺不错。这样，国家自然科学基金的课题终于可以顺利结题了。

然而，即使是课题已经结题了，我们的研究并没有停。又经历了 2-3 年的优化，终于把电池提高到一个比较满意的性能。

首先，发现了锥形的 Nafion 阵列比柱状的阵列具有更高的性能。

第二，制备的阵列密度高达 5.7×10⁸ cones per cm² ，也就是指甲盖的面积下，阵列的个数达到 5 亿 7 千万个。

第三，当阳极的 Pt 载量为 17.6 μg cm^-2 的时候，电池的性能仍然高达 1240 mW cm^-2。这要感谢我们的合作者，大连理工大学的宋玉江教授和他的团队的帮助，是他们帮我们拿到了常规氢氧电池的测试数据。

第四，有序膜电极可以经受 300 小时的寿命检测。这几个指标使该工作达到了本领域的先进水平。

另外，还需要感谢地质大学的黄云杰教授和他的同事们，是他们帮助我们采用 inductively coupled plasma (ICP) spectrometry 的方法对 Nafion 阵列膜上的 Pt 载量进行了精确的测定。因为，Nafion 阵列膜的 Pt 载量非常低，属于微克量级，而 Nafion 阵列膜又是一种对空气、湿度、温度等很敏感的材料，会随着这些条件发生微量的变化，一般的方法很难精确定量。而他们能帮我们准确测出单位面积的 Pt 含量，解决了 Pt 精确定量的问题。

这个工作能够历时 9 年一直走下来有几个原因。首先，要感谢国家自然科学基金面上项目的大力支持，没有该基金的支持，我们很难坚持下来。其次，要感谢国家的经费支持，使我们可以进行比较潜心的研究。第三，是我们对于从原理的认识，坚信有序质子导体阵列会带来性能的更大提高，因为催化层中质子导体的电导率只有 0.15 S cm^-1，远远低于其中的电子导体的电导率（100 S cm^-1），质子导通的需求更为强烈。第四，也要感谢 JMCA 和审稿人的认可和辛勤工作。当然，连续数年的、没有重大产出的研究注定是一个难熬的过程，参与其中的学生、职工、老师都有考核的压力，经历了无数的苦楚，但是我们坚持下来了，并取得了成功。然而，跟奋战在疫情一线的医护人员相比，仍然微不足道。只有初心是一样的。

该工作的发表只是个开始，质子交换膜燃料电池有序膜电极的大幕才刚刚拉开，好戏还在后头。目前，大多数的研究工作还停留在实验室阶段，只有 3M 公司推出了有序膜电极的商业化产品。所以下一阶段的工程化放大和产品定型是未来的重头戏，是非常值得投入大量精力研究的领域。相比较其他方法，Nafion 阵列为基础的有序膜电极具有一系列优点，比如成型快、能耗低、温度低、制备简单等，具有较大的发展潜力。希望在不久的将来，Nafion 阵列为基础的有序膜电极能够广泛应用在燃料电池中，大幅提高燃料电池的性能、大幅降低燃料电池的成本、大幅提高燃料电池的寿命，为燃料电池的发展贡献一点力量。

• Great improvement in the performance and lifetime of a fuel cell using a highly dense, well-ordered, and cone-shaped Nafion array
  Fandi Ning, Chuang Bai, Jiaqi Qin, Yujiang Song, Ting Zhang, Jiafan Chen, Jun Wei, Guanbin Lu, Huihui Wang, Yali Li, Junnan Gu, Yangbin Shen, Yi Cui, Yunjie Huang and Xiaochun Zhou*（周小春，中科院苏州纳米所）

  J. Mater. Chem. A, 2020
  http://dx.doi.org/10.1039/C9TA13666E

原创 宁凡迪 周小春 RSC英国皇家化学会 2020-03-26