雙極板 (BP) 是質子交換膜燃料電池 (PEMFC) 的關鍵部件之一。在 BP 材料中，金屬 BPs 因其優異的綜合性能而被廣泛使用。然而，BP與氣體擴散層之間的界面接觸電阻（ICR）以及酸性操作條件下金屬BP的腐蝕會降低PEMFC的性能和穩定性。在此，提出了一種鈦 (Ti) 合金 BP 表面強化的方法，該方法通過等離子體增強化學氣相沉積法直接生長的垂直石墨烯 (VG) 涂層。與裸鈦合金相比，在模擬的 PEMFC 運行環境中，VG 涂層鈦合金的腐蝕速率降低了 1-2個數量級，ICR 降低了≈100 倍，而它的熱導率提高了≈20%，水接觸角增加了68.1°。結果可以解釋為，VG 的獨特結構能夠在 PEMFC 中實現良好的導電和熱傳導，并且高度疏水的 VG 涂層抑制腐蝕性液體的滲透并有助于水管理。這項研究為通過用于能源和催化劑應用的高性能電極的堅固且多功能的 VG 涂層來增強金屬表面開辟了新的機會。
Figure 1.導電性和導熱性、耐腐蝕性和疏水性增強的 VG-Ti 合金示意圖。
Figure 2. 采用 PECVD 方法在 Ti 合金上直接生長 VG。 a) 裸鈦合金和 VG-Ti 合金的照片。生長條件：20 sccm CH
4， 600℃下 2 小時。 b) VG 的 SEM 圖。插圖：VG 的側視 SEM 圖；比例尺：200 nm。 c) VG 的 AFM 圖。 d) 裸鈦合金和 VG-Ti 合金的 XRD 圖。 e) VG 的典型拉曼光譜。 f) VG 的 C 1s 的 XPS 信號。在本文所有圖中，Ti 指的是 Ti 合金，VG-Ti 指的是 VG-Ti 合金。
Figure 3. VG 涂層與 Ti 合金基體之間界面的表征。 a) 裸鈦合金的橫截面 TEM 圖。黑色虛線突出顯示了鈍化氧化層的位置。 b，c）VG-Ti合金的橫截面TEM圖。 (a) 和 (b) 中的鉻 (Cr) 層是熱沉積的，以保護樣品在樣品制備過程中免受可能的損壞。 d-g) (d) C、(e) Ti、(f) O、(g) Cr 和 h) 對應的 VG-Ti 合金的 HAADF 圖的 EDS 元素映射。 （b-h）中的白色虛線顯示了過渡層的位置。 i) VGTi 合金的 ToF-SIMS 分析。
Figure 4. a）Ti-VG合金界面導電性增強示意圖b）ICR作為純鈦合金和VG-Ti合金壓實壓力的函數。c）純鈦合金和VG-Ti合金的導熱系數與溫度的函數d，e）鈦合金和VG鈦合金的水CAs。（f）純鈦合金和VG-Ti合金in0的動電位極化曲線和（g）Bode圖。室溫下的 0.5 M H
2SO
4 和 5 ppm HF 溶液。
Figure 5.VG-Ti合金在模擬PEMFC運行環境下的防腐性能。 a,b) 裸 Ti 合金和 VG-Ti 合金在 0.5 M H
2SO
4 和 5 ppm HF 溶液中的動電位極化曲線，在 80℃下用 H
2 或空氣鼓泡，分別模擬 (a) 陽極或 (b) 陰極環境。 c) 各種報道的鈦基 BP 材料的腐蝕電流密度（y 軸）和 ICR（x 軸）的比較。 d，e）Ti合金和VG-Ti合金在模擬（d）陽極和（e）陰極環境中的恒電位極化曲線。 f-i) 與 (d) 和 (e) 中的樣品相對應的恒電位極化測量后裸 Ti 合金和 VG-Ti 合金的 SEM 圖。比例尺：2μm。
相關研究工作由北京大學Hailin Peng和Zhongfan Liu課題組于2022年在線發表在《ADVANCED MATERIALS》上。原文：Vertical Graphene-Reinforced Titanium Alloy Bipolar Plates in Fuel Cells 。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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