超声涂覆石墨烯

超声涂覆石墨烯 – 低Pt载量PEMFC阴极、AEMFC非贵金属电极 – 驰飞超声波喷涂

质子交换膜燃料电池（PEMFC）与阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）作为清洁能源转化装置的核心，电极性能直接决定电池效率与成本。低Pt载量PEMFC阴极面临Pt利用率低的问题，AEMFC非贵金属电极则受限于导电性能不足，而超声涂覆石墨烯技术为解决这两大瓶颈提供了有效路径。石墨烯的高导电性与高比表面积特性，结合超声涂覆的精准成膜优势，可显著优化电极微观结构，构建高效导电网络。

超声涂覆技术凭借高频振动作用，能实现石墨烯在电极基底的均匀分散与紧密结合，这是传统涂覆方法难以企及的。传统涂覆技术易导致石墨烯团聚，形成导电盲区，而超声振动产生的空化效应可破碎石墨烯团聚体，同时促使石墨烯片层与电极基底形成分子级接触。在涂覆过程中，超声能量还能调控石墨烯涂层厚度，避免因涂层过厚导致的传质阻力增加，为电极性能优化奠定结构基础。

对于低Pt载量PEMFC阴极，超声涂覆石墨烯可构建“Pt-石墨烯”双重导电网络，大幅提升Pt利用率。低Pt载量下，Pt纳米颗粒易孤立分布，导电通路不连续。通过超声涂覆将石墨烯引入阴极催化层，石墨烯片层可连接孤立的Pt纳米颗粒，形成连续导电通道，降低电荷转移电阻。实验数据显示，采用超声涂覆石墨烯的低Pt阴极，其面比电阻较未涂覆样品降低40%以上，在0.8V工况下的电流密度提升35%，且Pt用量减少50%仍能维持原有性能。

在AEMFC非贵金属电极中，超声涂覆石墨烯可有效弥补非贵金属催化剂导电性差的缺陷。非贵金属催化剂如Fe-N-C材料虽成本低廉，但导电率仅为传统Pt基催化剂的1/100，严重制约电极输出功率。将超声涂覆石墨烯与Fe-N-C催化剂复合后，石墨烯的高导电性可快速转移催化反应产生的电子，同时其多孔结构为电解液渗透提供通道。测试表明，复合电极的导电率提升至纯Fe-N-C电极的8倍，电池峰值功率密度突破300mW/cm²，达到商用Pt基电极的85%。

超声涂覆参数的精准调控是实现石墨烯涂层性能最优的关键。涂覆功率过低会导致石墨烯分散不均，过高则可能破坏电极基底结构。研究发现，当超声功率控制在150-200W，涂覆速度为5-8mm/s时，石墨烯涂层的方阻最低，仅为0.8Ω/sq。此外，石墨烯分散液浓度与涂覆次数也会影响涂层性能，2mg/mL的分散液经两次涂覆后，可形成厚度约50nm的均匀涂层，兼顾导电性与传质性。

该技术不仅提升电极性能，还具备产业化潜力。超声涂覆设备结构简单、操作便捷，可与现有燃料电池生产线兼容，无需大规模改造设备。同时，石墨烯材料成本逐年下降，结合低Pt与非贵金属催化剂的应用，能大幅降低燃料电池总制造成本。未来通过优化石墨烯表面改性工艺，进一步提升其与催化剂的协同作用，有望实现PEMFC与AEMFC电极性能的再突破，推动燃料电池技术的商业化进程。

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