Sn掺杂CeO2中Ce3+的形成机制及其对质子交换膜燃料电池耐久性的影响

在质子交换膜燃料电池(PEMFC)运行过程中，产生的自由基会攻击质子交换膜，使其开裂或形成孔洞，导致电池失效。常见的改性方法是在质子交换膜(PEM)中添加自由基清除剂材料。基于此，本文合成了Sn掺杂CeO₂自由基清除剂，通过提高Ce³⁺浓度来增强其在PEMFC中自由基清除性能，避免PEM厚度迅速减薄，从而提高质子PEMFC的耐久性。密度泛函理论计算和试验结果表明，Sn掺杂会引起CeO₂产生晶格畸变，降低氧空位形成能，促进CeO₂中Ce³⁺的形成。同时，Sn²⁺的加入可将CeO₂-Sn样品中的Ce⁴⁺还原为Ce³⁺,提升Ce³⁺的浓度，从而提高PEM的耐久性。单电池测试结果表明，经70 h的开路电压衰减测试，CeO₂-Sn-5%改性后的质子交换膜组装的单电池电压衰减率最低(18%),且功率保留率(56%)比其他样品更高，表明该样品具有更优异的耐久性。