天津大学焦魁教授、杜青教授团队，Advanced Science文章：质子交换膜燃料电池铂表面冰成核机理：表面形貌与润湿性的影响

通讯作者：焦魁*，杜青*

单位：天津大学

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种能够高效利用氢能的能量转换装置，具有功率密度高和零碳排放等优点，在交通运输、发电、航空航天等领域得到广泛应用。PEMFC阴极催化层中电化学反应产生的水在低温下会冻结在多孔结构和流道中，冰的积累会阻碍气体传输路径，覆盖化学反应位点，从而导致冷启动失败。明晰PEMFC催化层的冰成核机理，并通过催化层设计抑制结冰，可以优化PEMFC的冷启动策略，从而提高燃料电池的性能。本文研究了水在不同形貌和润湿性的催化剂表面上的结冰过程，并从分子尺度揭示了Pt催化剂表面的冰成核机理。

近日，来自天津大学的焦魁教授与杜青教授，在国际知名期刊Advanced Science上发表题为“Ice Nucleation Mechanisms on Platinum Surfaces in PEM Fuel Cells: Effects of Surface Morphology and Wettability”的文章。

该文章通过调整催化剂表面形貌和润湿性来消除结冰时的水和催化剂表面的结构匹配效应和模板效应，从而抑制冷启动时催化剂表面结冰，优化质子交换膜燃料电池性能。

分析了不同催化剂表面形貌上的冰成核过程，四种不同表面形貌上的临界冰核都从Pt与水的交界面出现，之后冰核开始生长，直到完全冻结。不同的Pt晶面导致不同的冰成核过程，从而导致不同的诱导时间。Pt(211)表面的结冰诱导时间最长，说明Pt(211)表面的冰成核更困难。不同催化剂表面形貌上的冰成核速率均高于均质冰成核速率，说明Pt可以促进结冰，降低冰成核能垒。最大的临界核出现在Pt(211)表面，同时水在Pt(211)上有序度更低，表明Pt(211)表面结成核能垒更高且能抑制结冰。

在冰成核过程中，由于Pt与水的强烈相互作用，在Pt表面形成了水覆盖层。覆盖层呈六边形结构，可以作为其上方冰层形成的模板，即模板效应。当Pt表面原子间距与冰晶的特征距离相近时，Pt表面的冰成核明显加快，称为结构匹配效应。模板效应和结构匹配在冰成核过程中起着重要作用。通过调整Pt的晶面可以改变原子间距。Pt(211)表面较大的原子间距和无序的水覆盖层减轻了结构匹配和模板效应，导致较大的成核能垒，可以有效地抑制Pt(211)表面的结冰。

疏水表面的临界冰核不是在水与Pt的界面上产生的，而是在水内部产生的。随着Pt表面润湿性的增加，Pt表面临界冰核尺寸减小，证明疏水表面可以抑制Pt表面的结冰。同时冰的成核速率比均质冰成核速率还要低，说明疏水表面可以进一步抑制冰成核。由于Pt与水在疏水表面的相互作用减弱，即Pt表面对水分子的吸附作用减弱，导致水覆盖层中包含的水分子数目减少，无法形成有效的冰成核模板，进一步消除了模板效应，从而抑制了水在铂表面的冰成核。

Ice Nucleation Mechanisms on Platinum Surfaces in PEM Fuel Cells: Effects of Surface Morphology and Wettability

王家歧，天津大学机械工程学院2021级博士研究生，主要研究方向为质子交换膜燃料电池催化层微观结冰机理研究。