等离子体法制备直接醇类燃料电池关键材料取得新成果

在国家自然科学基金的大力支持下，中科院合肥物质科学研究院等离子体所低温等离子体应用研究室孟月东研究员带领博士研究生蒋仲庆等人组成的应用研究组，在等离子体技术制备直接醇类燃料电池关键材料应用研究中取得了新的研究成果。相关成果的论文继2009年发表在英国皇家化学学会的材料领域权威杂志《材料化学杂志》（Journal of Materials Chemistry）期刊上（并被选为封面文章），最近又一研究成果发表在国际等离子体和高分子材料权威杂志《等离子体过程与聚合物》（Plasma Processes and Polymers）上，并再次被选为封面文章。

    直接醇类燃料电池作为可用于便携式电子和交通工具等设备的重要新型能源之一，已引起了研究者的广泛兴趣。当前，这方面的研究主要集中于制备高质子导电性能、低甲醇渗透性的质子交换膜以及高性能电催化剂。一些主要问题，比如质子交换膜的质子传导性能低、抗甲醇渗透能力差，可工作温度低，价格昂贵以及催化剂的甲醇电催化性能和利用率低，催化剂的耐受性差等，严重阻碍直接醇类燃料电池商业化的进程。因此，研究和制备高性能质子交换膜和催化剂具有十分重要的意义。

    等离子体技术是一种集物理、化学、生物学以及工程学为一体的全新技术，已被广泛应用于材料的制备和改性，并在提高材料性能方面显示出了巨大的潜力。通常情况下，等离子体聚合反应过程中膜的形成和单体的分解同时发生，使得在膜中引入功能性官能团（例如离子交换基团）非常困难，所得的等离子体聚合膜的内在质子导电性通常比杜邦膜（Nafion膜）要低。为解决这个问题，孟月东研究员带领的应用研究组采用后辉光电容耦合等离子体 (CCP) 放电技术制备了高度功能化的等离子体聚合质子交换膜。通过对膜的功能性基团和结构的调控研究，获得了综合性能较高的质子交换膜。

    另外，利用等离子体技术对多壁碳纳米管（MWCNTs）进行了表面改性，并将表面改性后的MWCNTs用作金属催化剂的支撑体，实现了在MWCNTs表面引入高密度、均匀分布的表面功能性基团而不会引起碳纳米材料结构破坏的目的。因而能够保持其本身所拥有的良好电导性能，克服了常用改性方法使得MWCNTs表面功能性基团分布不均匀，石墨结构遭到严重破坏，金属纳米粒子和MWCNTs的直接接触受到阻碍，导致MWCNTs碳基载体的部分导电性能下降或阻碍金属纳米粒子和MWCNTs之间电子的迁移等难题。

    将表面改性后的MWCNTs用作金属催化剂的支撑体，所得的金属MWCNTs被用于甲醇的电催化氧化反应。结果表明，等离子体表面修饰方法是一种良好的MWCNTs表面改性技术，其改性过程不会引起MWCNTs的结构破坏，而且在MWCNTs表面引入了大量有利于铂（Pt）纳米粒子沉积的功能性官能团。沉积在改性后的MWCNTs上制得的金属Pt纳米催化剂即使在低Pt负载量的情况下仍然具有高的催化能力。

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