梯度碳球尺寸分布对质子交换膜燃料电池催化剂层氧传输与电化学性能的优化机制研究

《Nanomaterials》：Pore-Scale Investigations into Gradient Carbon Microstructures for Enhanced Mass Transport in PEM Fuel Cell Catalyst Layers

本综述聚焦质子交换膜燃料电池(PEMFC)催化剂层(CL)的微结构设计，核心探讨了碳载体粒径的梯度分布对氧传输与电化学性能的调控作用。文章通过先进的格子玻尔兹曼方法(LBM)进行三维微观结构重建与模拟，系统揭示了碳球尺寸的非均匀分布（如分层梯度设计）可有效优化反应气体（O2）、质子(H+)、电子(e-)的传输路径，显著降低浓差极化，从而提升电池在高电流密度下的性能。研究为高性能CL的理性设计提供了重要的理论依据和微观尺度洞察。

　　

催化剂层结构建模与性能表征方法

质子交换膜燃料电池的性能高度依赖于阴极催化剂层的微观结构。催化剂层通常由碳载铂(Pt/C)催化剂和离聚物(Nafion)组成，形成复杂的三相界面。为精确描述其结构-性能关系，研究采用基于格子玻尔兹曼方法的数值模拟技术。该模型首先通过随机方法重构碳球、铂纳米颗粒和离聚物的三维空间分布。关键结构参数，如铂载量(γ_Pt)、碳载量、离聚物含量(θ_i)和孔隙率(ε)，通过严格的体积分数计算公式进行关联和控制，确保了模型与真实材料组成的一致性。

碳载体尺寸梯度设计与微观结构重建

碳载体的尺寸分布是调控催化剂层传输性能的关键因素。研究设计了多种碳球直径分布方案，包括均匀分布和沿催化剂层厚度方向的分层梯度分布（如两层或三层结构）。通过引入伪随机调制局部碳球直径的方法，实现了非均匀粒径分布的可控构建。铂纳米颗粒被设定为单格子分辨率大小，并优先附着在碳载体表面或已沉积的铂颗粒上，采用分批沉积策略以促进空间均匀分散。离聚物相则通过随机概率策略进行分布，模拟其在实际催化剂层中的非均匀覆盖特性，从而更真实地反映微观结构。

氧传输与电化学反应的数值模拟

在纳米尺度的催化剂层孔隙中，氧传输以扩散为主导机制。研究采用D3Q7格子玻尔兹曼模型来模拟氧的质量传输和电化学反应过程。该模型通过求解包含源项(S_O2)的对流-扩散方程，描述了氧浓度(C_O2)的时空演化。平衡分布函数(g_i^eq)和离散速度集(c_i)经过精心定义，以确保模型能准确捕捉在复杂多孔介质内的传输行为。这种方法特别擅长处理不规则孔隙几何边界，为揭示微观结构对宏观性能的影响提供了强大工具。

梯度结构对传输性能的优化机制

模拟结果明确显示，碳载体的梯度尺寸分布对催化剂层内的传输过程产生显著影响。当采用从气体扩散层到质子交换膜方向碳球直径递减的梯度设计时，形成了更优的孔隙网络。这种结构有利于反应气体从主流体向催化剂活性位点的深入扩散，同时保证了质子、电子和反应产物的高效传导。与非梯度结构相比，梯度设计有效降低了氧传输阻力，缓解了高电流密度下的浓差极化现象，从而显著提升了电池的极限电流密度和整体性能。

催化剂层组成与结构的协同效应

研究进一步探讨了催化剂层中各组分的协同作用。铂载量、离聚物含量和孔隙率等参数与碳载体的梯度结构之间存在紧密的耦合关系。优化的梯度设计需要在保证足够的三相界面以进行电化学反应的同时，维持良好的质子、电子和气体传输通道。过高的离聚物含量可能导致孔隙堵塞，增加气体传输阻力；而过低的离聚物含量则会降低质子电导率。梯度碳球结构为平衡这些相互竞争的因素提供了新的设计维度。

研究展望与实际应用意义

该研究通过先进的数值模拟方法，从微观尺度深入揭示了梯度碳球尺寸分布对质子交换膜燃料电池催化剂层性能的优化机制。研究结果表明，通过对碳载体进行合理的梯度设计，可以主动调控催化剂层的微观结构，从而优化多种传输过程，最终提升电池性能。这一发现为高性能、低铂载量燃料电池催化剂的开发提供了重要的理论指导和新颖的设计策略。未来的研究可结合实验验证，进一步探索不同操作条件下梯度结构的稳定性与耐久性，推动其在实际燃料电池系统中的应用。