特邀报告Cr2AlC涂层的成相机制及在极板表面导电耐蚀防护研究
编号：252
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更新：2024-04-24 09:51:17
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摘要
金属双极板作为质子交换膜燃料电池（PEMFCs）的核心构件，直接决定电池的制造成本和性能，然而在燃料电池高温及HF+H2SO4的混合酸性工作环境下，金属极板表面易钝化和腐蚀，导致电导率和耐蚀特性急剧下降。表面涂层技术可以保持金属极板自身优异性能的基础上，同时提高其导电耐蚀性能。众多的防护涂层中，Mn+1AXn相（MAX相）涂层是一大类热力学稳定、具有密排六方结构的层状高性能陶瓷材料，独特层状结构和成键特征，使其兼具金属和陶瓷的优异导电、耐腐蚀、高温抗氧化等特性。于是，我们在金属极板不锈钢表面制备了Cr-Al-C涂层，通过原位TEM研究了Cr-Al-C涂层的成相过程，揭示了非晶态优先形成低形成焓的Cr2C，Al原子在热驱动力作用下扩散再形成Cr2AlC的成相机制。随后，采用电弧复合磁控溅射结合退火技术分别得到了不同晶化程度和不同择优取向的Cr2AlC MAX相涂层，并研究了其在PEMFC工作环境下的导电与耐蚀性能。研究结果表明，所有的Cr2AlC涂层均能显著改善不锈钢316L的性能，其界面接触电阻最低值为3.16 mΩ·cm2，最低腐蚀电流密度为2×10-2 μA cm-2。模拟计算表明优异的导电性能归因于Cr2AlC MAX相在费米能级处有较高的电子态密度；良好的耐腐蚀性能是由于在极化测试后，涂层表面形成了钝化膜，钝化膜的形成对基体起到保护作用，从而提高了耐蚀性能。相关结果不仅有助于设计和发展新型导电耐蚀一体的MAX相涂层材料新体系，也将为发展高性能PEMFCs双极板材料提供重要支撑。
关键词
质子交换膜燃料电池，金属双极板，原位TEM，MAX相，导电耐蚀
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