微纳材料设计与制造研究中心

不锈钢双极板（BP）是质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的关键部件，在电流收集、气体输送以及热量管理等多个方面发挥着至关重要的作用^[1]。在PEMFC的典型工作条件下—高温（70–80°C）、酸性环境（pH 2–4）及高电压（0.6–0.7 V）—不锈钢面临腐蚀和钝化的双重挑战^[2,3]。如何有效减缓不锈钢双极板的腐蚀与钝化已成为推动PEMFC产业化的关键课题。

针对上述问题，国际期刊《Applied Surface Science》在线发表了题为“Atomic layer deposition of corrosion-resistant composite interlayer for bipolar plate of proton exchange membrane fuel cell”的最新研究成果，华中科技大学微纳中心博士研究生伍建华为文章第一作者，机械学院陈蓉教授与机械学院刘潇副教授为文章共同通讯作者。

该工作基于原子层沉积（Atomic Layer Deposition, ALD）技术，在铌掺杂非晶碳涂层（NC）与不锈钢基材（SS316L）之间引入纳米级Al₂O₃/TiO₂复合中间层，有效提升了SS316L双极板在PEMFC运行环境下的耐久性。研究表明，该复合中间层有助于降低涂层残余应力以促进非晶碳涂层在双极板表面的均匀沉积，在增强涂层与金属基底之间的结合力的同时降低涂层整体的孔隙率，从而在宏观层面显著提升了整体的抗渗透性能。此外，纳米复合中间层构建的稳定界面结构使双极板的自腐蚀电流密度降低至6.82×10^-7 A cm^-2，在0.84Vvs.SHE的恒电位测试中未形成明显钝化层，使不锈钢极板的耐腐蚀性显著提高。该工作通过制备稳定的原子层沉积复合中间层提高了不锈钢BP的耐腐蚀性能，展示了ALD技术在PEMFC BP耐腐蚀涂层应用中的潜力。

图1 ALD复合中间层提高耐腐蚀性策略

该工作首先探讨了不同ALD中间层对非晶碳涂层沉积的影响。由于ALD层的引入，ANC涂层和ATNC涂层显示出相比于NC涂层更低的表面粗糙度。这是由于NC涂层的表面与截面沉积不均匀存在颗粒聚集 (图2b, e)，这些颗粒会阻碍涂层的致密化，同时也会导致腐蚀更容易沿着颗粒与涂层之间的界面进行，降低了涂层的耐腐蚀性。ALD中间层的引入提高了基底对沉积颗粒的附着力，从而提高了碳涂层的沉积效率，最终实现了表面粗糙度更低 (图2c, d) 和更厚的非晶碳涂层 (图2f, g)。

图2. (a) ATNC涂层制备过程示意图，(b-d) NC、ANC和ATNC涂层的表面SEM形貌和 (e-g) 涂层横截面形貌

研究根据Raman光谱中非晶碳的G带峰位置计算得到涂层的残余应力 (图3a)，结果发现ALD中间层中的Al和Ti元素的引入显著减轻了NC涂层中由键角畸变引起的非晶网格内残余应力。其对应的XPS C 1s光谱结果中C-sp²的比例从33.32 %分别提升到36.90 %和39.61 % (图3b)，意味着ALD复合中间层的引入导致非晶碳涂层中的石墨化程度更高，涂层更加致密。

图3. NC、ANC和ATNC涂层的表征: (a) 拉曼光谱，(b) C 1s的XPS光谱

涂层的致密性的差异导致涂层在宏观的抗渗透性上表现出显著差异 (图4)，NC涂层在测试中显示出较差的抗渗透性，随着测试的进行涂层不断被渗透并且导致涂层从基底剥落。而Al₂O₃和Al₂O₃/TiO₂ ALD中间层的引入显著提升了NC涂层的抗渗透性，在整个测试过程中稳定并且保持一定的疏水性。这是因为其增强了基底与非晶碳涂层之间的界面，同时降低了涂层整体孔隙率形成致密涂层，这在一定程度上有利于提升极板的耐腐蚀性。

图4. NC、TNC、ANC和ATNC涂层BP的抗渗透性。

涂层的耐腐蚀性通过电化学腐蚀测试进行评估。动电位极化结果显示引入Al₂O₃/TiO₂ ALD中间层使双极板的自腐蚀电流密度降低至6.82×10^-7 A cm^-2，较未处理BP降低两个数量级 (图5a)。恒电位极化结果中ATNC涂层的稳定电流密度为3.85×10^-8 A cm^-2，同样相比未处理BP降低两个数量级 (图5b)。EIS结果中ATNC涂层的|Z|_f=0.01Hz 达到10⁶并且对应的R_ct达到5.20×10⁵ Ω cm², Al₂O₃/TiO₂纳米中间层增强了电荷转移阻力从而显著减缓了腐蚀反应的速度。

图5. NC、ANC、ATNC涂层BP和SS316L在70 °C的0.5 M H₂SO₄ + 2 ppm HF腐蚀电解质中进行的电化学测试：(a) -0.5 V到+1.0 V vs. Ag/AgCl的动电位极化曲线，(b) 在0.84 V vs. SHE下持续4小时的恒电位极化曲线，(c) 波特图，(d) 奈奎斯特图。

本研究全面探究了ALD纳米复合中间层对提升不锈钢BP耐腐蚀性能的作用。该研究的结果和机制对ALD技术应用在纳米中间层制备具有重要意义，通过设计ALD中间层结构，可显著改善不锈钢BP涂层表面性能，为商业化不锈钢BP耐腐蚀涂层的设计开发提供了极具前景的方案。

参考文献

[1] K. Xiong, W. Wu, S. Wang, L. Zhang, Modeling, design, materials and fabrication of bipolar plates for proton exchange membrane fuel cell: A review, Appl. Energy 301 (2021) 117443. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117443.

[2] H. Kahraman, Y. Akın, Recent studies on proton exchange membrane fuel cell components, review of the literature, Energy Convers. Manag. 304 (2024) 118244. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118244.

[3] K. Lin, X. Li, Y. Sun, X. Luo, H. Dong, Active screen plasma nitriding of 316 stainless steel for the application of bipolar plates in proton exchange membrane fuel cells, Int. J. Hydrog. Energy 39 (2014) 21470-21479. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.04.102.