我院陆洪彬团队在质子交换膜燃料电池不锈钢双极板防腐蚀涂层领域取得新进展

近日我院陆洪彬团队开发了一种新型聚吡咯-氧化石墨烯复合涂层，该复合涂层可通过一步法原位电沉积至不锈钢双极板表面，涂层具有粗糙度小、缺陷少的结构，并且与不锈钢之间具有较强的结合力，因此在所模拟的质子交换膜燃料电池内部环境中展示出了优异的环境稳定性和电化学稳定性，其在该腐蚀性环境中长期浸泡后仍能展示出优秀的耐蚀性能。该工作以“In-situ electrodeposition of conductive polypyrrole-graphene oxide composite coating for corrosion protection of 304SS bipolar plates”为题发表在金属领域知名期刊《Journal of Alloys and Compounds》上（Journal of Alloys and Compounds 770 (2019) 35-47），南京大学和南京大学海安高新技术研究院为该研究工作的共同通讯单位，陆洪彬副研究员、孟祥康教授为共同通讯作者，论文第一作者为南京大学现代工程与应用科学学院2016级博士研究生蒋莉。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）先进、高效、环保的特征为解决大气污染和能源短缺问题带来了希望。然而不锈钢双极板作为PEMFC的重要组成部分，在PEMFC的内部腐蚀性环境中长期工作时不可避免地会被腐蚀。在双极板表面制备防腐蚀涂层是解决上述问题的方法之一。其中导电聚合物由于具有环境稳定性好、可经济生产、电导率高等优点而备受关注，然而导电聚合物涂层通常存在一定缺陷，如存在孔隙缺陷、与金属基底结合力差等，一定程度上提供了腐蚀性离子侵入的通道，因此涂层在长期服役过程中稳定性较差。为了解决这一问题，陆洪彬研究组创造性的将性能稳定的氧化石墨烯与导电聚合物聚吡咯复合用于不锈钢双极板上的腐蚀防护，通过环保、简洁的一步法制备方式，将复合涂层原位电沉积在不锈钢双极板表面。研究组发现，该涂层具有较好的导电性，如图1所示，在所模拟的PEMFC内部环境中长期工作时，复合涂层中的氧化石墨烯固有的褶皱状结构和大的表面积可有效延长腐蚀性离子向内扩散的路径，显著提高了复合涂层对腐蚀性环境的物理屏障，而涂层中的导电聚合物聚吡咯可发挥其特有的阳极保护作用，在涂层/金属界面处形成稳定钝化膜。与此同时，聚吡咯和氧化石墨烯之间特殊的相互作用可使聚吡咯处于稳定的掺杂状态，在涂层长期服役过程中维持涂层的导电性。因此，该复合涂层对不锈钢双极板具有稳定、高效的防腐蚀作用，在质子交换膜燃料电池领域具有广阔的应用前景。

图1. 不锈钢双极板上聚吡咯-石墨烯复合涂层的防腐蚀机理示意图

    本研究得到了南京大学物理学院唐少龙教授及其团队成员在原子力显微镜方面的重要帮助，该研究得到了国家自然科学基金和国家自然科学基金青年项目、中央高校基础研究经费、江苏省科技支撑计划的资助。