Nafion膜上的電化學剝離石墨烯（e-G）薄膜對不良燃料交叉表現出選擇性屏障效應。這種方法結合了最先進的Nafion的高質子電導率和e-G層有效阻斷甲醇和氫運輸的能力。Nafion膜在陽極側涂有e-G水性分散體，利用簡單且可擴展的噴涂工藝。掃描透射電子顯微鏡和電子能量損失光譜證實了致密滲透石墨烯片狀網絡的形成，該網絡充當擴散屏障。使用e-G涂層Nafion N
115的直接甲醇燃料電池（DMFC）操作的最大功率密度是Nafion N
115參考的3.9倍（39 與10 mW cm
–2@0.3 V），在5M甲醇進料濃度下。這表明將e-G涂層Nafion膜應用于便攜式DMFC，其中需要使用高濃度甲醇。
圖1.（a） 通過噴涂制造樣品的示意圖。（b） 比較參考MEA（頂部）和石墨烯增強MEA（底部）的兩個MEA的橫截面示意圖。
圖2:Nafion HP基板上電化學剝離石墨烯（e-G）層（130μG cm
–2負載，1μm薄片尺寸）的表面形態。（a） 在29°傾角下觀察到的SEM俯視圖。該層光滑且密集，單個薄片難以區分。（b） AFM測量的形貌圖。（c） AFM相移圖像。
圖3.（a） 嵌入環氧樹脂基質中的石墨烯–Nafion層系統（130μg cm
–2石墨烯負載，1μm薄片尺寸，Nafion HP）橫截面的光學顯微照片.（b） 在環形暗場模式（ADF-STEM）下獲得的橫截面掃描透射電子顯微照片。石墨烯層具有圖像中最高的強度。黑色箭頭表示致密/光滑石墨烯膜中的缺陷.（c） 面板（b）插圖中標記區域的ADF-STEM圖像。單個石墨烯薄片可見為亮線.（d） 內部石墨烯參考[（e）中的紅線]的相應多重線性最小二乘（MLLS）擬合到與圖（c）中相同區域的記錄電子能量損失映射.（e） 橫截面樣品中單個組分的EELS參考光譜，其來源于來自各個映射區域的局部積分STEM-EELS光譜（背景減影后）。
圖4.石墨烯負載和石墨烯片狀尺寸對DMFC性能的影響：繪制電池輸出電壓與可變電流密度的關系圖，該電流密度在運行期間施加到燃料電池上。數據在65°C工作溫度下記錄。將Nafion N115參比膜的I-V極化曲線與石墨烯包覆的N115（a）具有不同量的石墨烯和（b）具有不同石墨烯片尺寸的極化曲線進行比較，石墨烯恒定負載量為130μg cm
–2.箭頭表示通過將甲醇濃度從1M增加到5M來表示燃料電池性能的變化。含 130 微克厘米的 MEA–2與參考相比，石墨烯和1 μm片狀尺寸在5M甲醇下顯示出優越的性能。與 300 nm 樣品相比，微米薄片顯示出更好的性能。這表明較大的薄片（橫向尺寸）作為阻隔層表現更好。
相關研究成果由亞琛工業大學Max C. Lemme等人2023年發表在ACS Applied Engineering Materials (https://doi.org/10.1021/acsaenm.2c00234)上。原文：Graphene Coating of Nafion Membranes for Enhanced Fuel Cell Performance。
轉自《石墨烯研究》公眾號
