燃料電池的商業化不可避免地帶來回收問題。因此，實現燃料電池的高可回收性對其可持續發展尤為重要。在此，制備了具有互穿網絡的可回收獨立微孔層 (MPL)，可顯著提高燃料電池的可回收性和可持續性。互穿網絡使獨立MPL具有高強度（17.7 MPa）、高透氣性（1.55×10
-13 m
2）和高燃料電池性能（峰值功率密度1.35 W cm
-2），為其高性能應用提供了基礎保障和高度可回收的燃料電池。此外，獨立的 MPL 對各種 GDB 具有很強的適應性，為選擇高度可回收的 GDB 提供了很高的可能性。值得注意的是，獨立的 MPL 和氣體擴散背襯 (GDB) 可以很容易地從用過的膜電極組件 (MEA) 上分離。這不僅在催化劑涂層膜 (CCM) 的回收中節省了> 90 vol% 的溶劑，而且與 CCM 相比，GDB 和獨立 MPL 的使用壽命至少延長了138 倍（假設 CCM 為 20,000 小時，則為 2,760,000 小時）。因此，獨立的 MPL 顯著提高了燃料電池的可回收性和可持續性，并有望成為下一代燃料電池不可或缺的組成部分。
Fig 1. 使用常規 MPL 和我們的獨立 MPL 的廢 MEA 回收方案。 （左側）常規 MPL 的回收方案：GDLs 參與催化劑和 PEM 的回收，不僅導致大量溶劑的消耗，而且難以重復使用 GDLs 進行結構破壞。 （右側）獨立 MPL 的回收方案：GDL 不參與催化劑和 PEM 的回收，這不僅顯著減少了溶劑消耗（不到傳統 MPL 的 10%），而且還可以回收和再利用 GDL。
Fig 2. 獨立 MPL 的結構和物理特性。 (a) MWCNT 松散網絡、(b) SWCNT 交聯網絡和 (c) SWCNT/MWCNT 互穿網絡的方案。 (d) MWCNT 松散網絡、(e) SWCNT 交聯網絡和 (e) SWCNT/MWCNT 互穿網絡的 SEM 圖像。 (g) 獨立 MPL 的實力SWCNT 和 MWCNT 含量的變化（含 20% PTFE）。 (h) 隨著 SWCNT 和 MWCNT 含量的變化（含 20% PTFE），獨立 MPL 的平面透氣率。 (i) 45×45 cm
2 (2025 cm
2) 的大型獨立 MPL 的光學圖像。
Fig3. 獨立 MPL 和傳統 MPL 的燃料電池性能。 (a) 具有傳統 MPL 的 MEA 方案 (a1) 和 SEM 圖像 (a2)。 (b) 具有獨立 MPL 的 MEA 方案 (b1) 和 SEM 圖像 (b2)。 (c) 氫-空氣燃料電池性能。燃料電池在 80ºC、200 kPaabs 氣壓和 60 RH% 的陽極和陰極條件下進行了測試。 H
2 和空氣的氣體流速分別為 125 sccm 和 500 sccm。 (d) 0.2 V 時的電流密度。(e) 峰值功率密度。 (f) 電化學活性表面積 (ECSA)。 (g) 1.5 A cm
-2 下的電化學阻抗譜 (EIS)。 (h) 孔徑分布。 (i) 貫穿平面的氣體滲透率。 (j) 平面電阻。
Fig 4. 不同的 GDB 及其在獨立 MPL 下的燃料電池性能。 (a)表面和(b)碳布的交叉視圖的SEM圖像； (c) 表面和(d) 碳氈的交叉視圖； (e) 表面和 (f) 泡沫鎳的截面圖；和 (g) 表面和 (h) 銅網的交叉視圖。 (i) 具有獨立 MPL 的不同 GDB 的燃料電池性能。燃料電池在 80ºC、200 kPaabs 氣壓和 60 RH% 的陽極和陰極條件下進行了測試。H
2 和空氣的氣體流速分別為 125 sccm 和 500 sccm。 (j) 0.2 V 時的電流密度。(k) 峰值功率密度。
Fig 5. GDL 的可重用性。 (a) 加速壓力測試和 MEA 恢復。壽命終止的CCM 和陰極獨立 MPL 被原始 CCM 和陰極獨立 MPL 取代，而陰極 GDB、陽極獨立 MPL 和陽極 GDB 被重復使用。 (b) 燃料電池在壽命開始 (BOL)、第 1000 次循環和第 5000 次循環時的性能。燃料電池在 80ºC、200 kPaabs 氣壓和 60 RH% 的陽極和陰極條件下進行了測試。 H
2 和空氣的氣體流速分別為 125 sccm 和 500 sccm。 (c) BOL 的燃料電池性能和每次回收。 (d) 0.6 V BOL 和每次恢復時的功率密度。 (e) 重復使用的組件的導電性。 (f) 重復使用部件的水接觸角。 (g) BOL 和第 4 次回收后燃料電池的 ECSA。
Fig 6. 回收不同的廢 MEA。 (a) 帶有傳統 MPL 的廢 MEA 和帶有獨立 MPL 的廢 MEA 的光學圖像。 (b) 裝有 50 mL 溶劑的量筒。 (c) 使用傳統 MPL 回收 MEA 的溶劑消耗。 (d) (f) 使用獨立 MPL 回收 MEA 的溶劑消耗。 (e) 陽極 GDB、陽極獨立 MPL 和陰極 GDB 的直接回收和再利用。
相關研究工作由中科院蘇州納米所Xiaochun Zhou課題組于2023年在線發表在《Adv. Mater.》期刊上，原文：A Recyclable Standalone Microporous Layer with Interpenetrating Network for Sustainable Fuel Cells。
轉自《石墨烯研究》公眾號
