研究背景
鉴于能源危机、环境污染和不断增长的能源需求，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效率和低污染物排放而备受关注。气体扩散层（GDL）是PEMFC的重要组成部分，具有支撑催化层、促进气体传输、排出反应产物水以及传输质子和电子等基本功能。PEMFC的性能和寿命在很大程度上依赖于GDL内的有效水管理。传统GDL通常由碳纤维纸涂覆微孔层制备得到，然而传统碳纸具有较差的疏水性，无法满足其水管理要求。因此，通常通过聚四氟乙烯（PTFE）等含氟疏水剂进行疏水预处理，包括浸泡、干燥和高温烧结等步骤，这不仅使得材料的制备工艺复杂化，增加了能源成本，同时由于PTFE在引入时的不均匀分布容易造成电池运行时的局部水堆积，减缓了传质速率，从而降低了电池性能。因此，如何经济高效且可规模地制备具有均匀疏水性的GDL仍是一个挑战。
图文解读
近日，华南理工大学轻工科学与工程学院、制浆造纸工程国家重点实验室王小慧教授和王蕾副教授团队提出了一种经济高效、环保且可扩展的无氟本体自疏水GDL的制造方法。该方法基于简单的湿法造纸工艺和热压工艺，以石墨烯为导电材料，纤维素纤维为骨架，聚丙烯（PP）纤维为功能添加剂开发了一种具有本体疏水性、高导电性和高机械强度的复合纸。该方法通过界面耦合策略实现了PP的均匀分散并成功将其引入石墨烯复合纸中。由于PP纤维在热压下的熔融自交联，复合纸具备超过商业碳纸的拉伸强度（22 MPa）和柔韧性。同时，疏水PP纤维热压后均匀包覆复合纸赋予了复合纸疏水性，并在激光打孔后形成类荷叶纳米粗糙结构，使疏水性进一步增强（水接触角达到140°），避免了传统的疏水处理。基于PP纤维的本体自疏水特性，复合纸在应用于PEMFC时表现出优于传统疏水处理的复合纸的电池性能，其最大功率密度达到了0.746 W cm-2，并且在0.6 V时的电流密度达到1.25 A cm-2。此外，复合纸GDL还表现出与传统碳纸相近的电池性能，并在高电流密度下展现出更优的水管理性能，展现出广阔的应用前景。该策略不仅为大规模、低成本的GDL生产提供了新方法，同时避免了传统碳纸的疏水处理工艺，改善了材料的疏水均匀性，为制备均匀本体自疏水的无氟化GDL提供了一种新思路。
图1. （a）通过湿法造纸工艺制备GCP复合纸。（b）与传统碳纸GDL相比，基于GCP纸的GDL具有均匀的本体疏水性和更好的水管理能力。
图2. （a）CPAM的界面改性使PP纤维均匀分散，并能够与其他成分进行静电吸附（b）分散在水中的各种原料的Zeta电位。（c）不同纸张的SEM表面形态：（i）纤维素纸（ii）GCP0（iii）GCP15。（d）Micro-CT显示PP纤维和纤维素纤维在GCP复合材料中均匀分布。（e）不同材料的TG曲线。（f）复合纸的拉曼光谱。（g）不同材料的XRD图谱。
图3. （a）PP纤维热压下熔融填充GCP复合纸的示意图（b）GCP复合纸张和商业碳纸的电导率。（c）不同纸张的归一化电阻（R/R0）作为弯曲循环的函数谱图。（d-e）不同复合纸的拉伸应力-应变曲线：（d）热压前，（e）热压后。（f）不同纸张的拉伸应力。（g）基于压汞法的不同纸张的孔隙率。
图4. （a）CPAM的同步热分析Tg-DSC曲线。（b-c）激光打孔后GCP15复合纸的孔的横截面SEM形貌。（d）GCP0和GCP15复合纸在不同阶段的水接触角。（e）不同复合纸的水接触角。（f）疏水处理后的商业碳纸截面中F元素的分布。
图5. （a）基于GCP0和GCP15复合纸的MEA的极化曲线。（b）不同MEA电池在0.6 V和0.7 V下的电流密度。（c）不同MEA电池在0.6 V下的电化学阻抗谱。（d）PTFE疏水处理的GCP0复合纸和未经额外疏水处理的GCP15复合纸的MEA的极化曲线。（e）基于GCP15复合纸和商业碳纸的MEA的极化曲线。（g）每100次AST循环后，电池极化曲线在0.6V处的电流密度。小图像显示了周期开始和结束时电池的极化曲线。
论文信息
相关研究成果以“Bulk hydrophobic gas diffusion layer with interpenetrating network for high-performance fuel cells”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。论文第一作者为华南理工大学硕士生汤浩，通讯作者为华南理工大学王小慧教授和王蕾副教授。该研究工作得到了华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室（2022C01、202209、2023ZD01、 2023C02、202208）等的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724044553?via%3Dihub
研究团队简介
王小慧，华南理工大学教授，博士生导师。主要从事生物质基材料研究。入选教育部“长江学者”特聘教授、中组部万人计划“青年拔尖人才”、教育部“新世纪优秀人才”支持计划、广东省特支计划以及“泰山产业领军人才”。已在Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Angew Chem. Int. Ed等期刊发表SCI论文150余篇，SCI他引8000余次，H因子48。研究成果获教育部自然科学二等奖2项、轻工联合会技术发明奖1项。主持科技部重点研发计划项目、国家自然科学基金等国家及省部级科研项目10余项，参编英文专著3部，获授权发明专利30余件。现担任中国纤维素行业协会专家委员会委员、中国化学会纤维素专业委员会委员、广东省造纸学会理事、SCI农林类一区期刊“Industrial Crops & Products”副主编。
王蕾，华南理工大学副教授，博士生导师。主要从事生物质材料在柔性电子方面的高附加值的开发。已在本专业SCI重要期刊包括Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials和Advanced Energy Materials等发表学术论文50余篇，其中2篇入选ESI高被引论文（1%），申请国内及美国专利7项。