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双极板 (BP) 是质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 的关键部件之一。在 BP 材料中，金属 BPs 因其优异的综合性能而被广泛使用。然而，BP与气体扩散层之间的界面接触电阻（ICR）以及酸性操作条件下金属BP的腐蚀会降低PEMFC的性能和稳定性。在此，提出了一种钛 (Ti) 合金 BP 表面强化的方法，该方法通过等离子体增强化学气相沉积法直接生长的垂直石墨烯 (VG) 涂层。与裸钛合金相比，在模拟的 PEMFC 运行环境中，VG 涂层钛合金的腐蚀速率降低了 1-2个数量级，ICR 降低了≈100 倍，而它的热导率提高了≈20%，水接触角增加了68.1°。结果可以解释为，VG 的独特结构能够在 PEMFC 中实现良好的导电和热传导，并且高度疏水的 VG 涂层抑制腐蚀性液体的渗透并有助于水管理。这项研究为通过用于能源和催化剂应用的高性能电极的坚固且多功能的 VG 涂层来增强金属表面开辟了新的机会。
Figure 1.导电性和导热性、耐腐蚀性和疏水性增强的 VG-Ti 合金示意图。
Figure 2. 采用 PECVD 方法在 Ti 合金上直接生长 VG。a) 裸钛合金和 VG-Ti 合金的照片。生长条件：20 sccm CH4， 600℃下 2 小时。b) VG 的 SEM 图。插图：VG 的侧视 SEM 图；比例尺：200 nm。c) VG 的 AFM 图。d) 裸钛合金和 VG-Ti 合金的 XRD 图。e) VG 的典型拉曼光谱。f) VG 的 C 1s 的 XPS 信号。在本文所有图中，Ti 指的是 Ti 合金，VG-Ti 指的是 VG-Ti 合金。
Figure 3. VG 涂层与 Ti 合金基体之间界面的表征。a) 裸钛合金的横截面 TEM 图。黑色虚线突出显示了钝化氧化层的位置。b，c）VG-Ti合金的横截面TEM图。(a) 和 (b) 中的铬 (Cr) 层是热沉积的，以保护样品在样品制备过程中免受可能的损坏。d-g) (d) C、(e) Ti、(f) O、(g) Cr 和 h) 对应的 VG-Ti 合金的 HAADF 图的 EDS 元素映射。（b-h）中的白色虚线显示了过渡层的位置。i) VGTi 合金的 ToF-SIMS 分析。
Figure 4. a）Ti-VG合金界面导电性增强示意图b）ICR作为纯钛合金和VG-Ti合金压实压力的函数。c）纯钛合金和VG-Ti合金的导热系数与温度的函数d，e）钛合金和VG钛合金的水CAs。（f）纯钛合金和VG-Ti合金in0的动电位极化曲线和（g）Bode图。室温下的 0.5 M H2SO4 和 5 ppm HF 溶液。
Figure 5.VG-Ti合金在模拟PEMFC运行环境下的防腐性能。a,b) 裸 Ti 合金和 VG-Ti 合金在 0.5 M H2SO4 和 5 ppm HF 溶液中的动电位极化曲线，在 80℃下用 H2 或空气鼓泡，分别模拟 (a) 阳极或 (b) 阴极环境。c) 各种报道的钛基 BP 材料的腐蚀电流密度（y 轴）和 ICR（x 轴）的比较。d，e）Ti合金和VG-Ti合金在模拟（d）阳极和（e）阴极环境中的恒电位极化曲线。f-i) 与 (d) 和 (e) 中的样品相对应的恒电位极化测量后裸 Ti 合金和 VG-Ti 合金的 SEM 图。比例尺：2μm。 相关研究工作由北京大学Hailin Peng和Zhongfan Liu课题组于2022年在线发表在《ADVANCED MATERIALS》上。原文：Vertical Graphene-Reinforced Titanium Alloy Bipolar Plates in Fuel Cells。 |
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