获奖项目名称：

面向氢能燃料电池的耐蚀导电涂层的设计、制备理论与技术

第一完成单位：

松山湖材料实验室

项目联系人：

张雪

联系人电话：

15140233321

联系人邮箱：

xuezhang@imr.ac.cn

项目简介：

  氢能燃料电池技术是实现国家“双碳”战略目标的重要支撑。本项目围绕燃料电池核心部件双极板材料亟待突破的使役性能关键瓶颈，开展金属双极板用耐蚀导电防护涂层的设计-制备-评价一体化、贯通式研究，研制出固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）用系列高性能涂层体系与制备技术，破解氢能燃料电池发展中燃眉之急，加速推动氢能产业链高质量发展。主要科学发现点与科学价值如下：
  【SOFC用高性能涂层】
  1）提出了基于半导体掺杂理论的耐蚀导电涂层设计新范式。通过向n-型、p-型氧化物中分别引入高、低价态的金属离子，调控晶格点缺陷与载流子浓度，抑制反应物质传输并提高涂层的电性能，创制了Nb、Ce掺杂的NiFe₂O₄以及Cu掺杂的MnCo₂O₄等系列高性能涂层体系，破解了常规涂层氧化物本征性能不足的卡点难题。
  2）建立了基于原位衍生匹配的复合涂层界面优构设计策略。通过热物性、反应热力学与动力学理论分析，形成了可原位衍生扩散障的合金涂层设计范式，创制的Cu-Co合金涂层在SOFC环境下转化成了致密连续、粘附性强的CuO/Co₃O₄耐蚀导电涂层体系，破解了常规阻Cr/抗氧化复合涂层的界面失配难题。
  3）发展了基于溶剂化结构调控的大跨度电化学序金属共沉积制备技术。针对低电化学序金属电沉积困难、难以获得目标涂层成分的关键问题，通过溶剂化结构调控，降低金属离子之间的还原电位差，并增大析氢过电位、扩大电化学窗口，实现了还原电位差异大的多种金属的共沉积，获得成分可控的Co-Mn、Cu-Co等高性能合金涂层。
  由于在SOFC不锈钢连接体用抗氧化导电涂层研究方面取得的积极成果，瑞典CharlmersUniversityofTechnology邀请包括项目团队在内的全球10个实验室参加涂层性能评估计划。
  【PEMFC用高性能涂层】
  1）开发了具有递进式自修复特性的高分子导电聚合物涂层体系。基于氧化还原电位与离子交换性的多维度分析，提出了逐级递进式的自修复导电聚合物涂层结构设计方法，研发了聚吡咯/聚苯胺复合涂层体系，构建了复合涂层的氧化还原电位匹配与其修复特性的响应关系，实现涂层缺陷智能自修复。
  2）创建了基于熔盐歧化反应的耐蚀导电涂层制备理论与技术。提出利用熔盐歧化反应制备耐蚀导电涂层的新理念，研制了低耗高效的熔盐反应沉积装备，形成了系统的熔盐介质体系与工艺理论，成功开发了β-Nb₂N等耐蚀导电涂层体系与制备技术，实现了综合性能变革性提升，被国际同行评述为“国际少有的显示良好应用前景的涂层”。
  3）创新了金属碳/氮化物涂层的熔盐体系介质还原扩散技术。提出在熔盐体系中采用脉冲电沉积制备金属/金属陶瓷复合涂层的技术理念与工艺理论，通过调控含碳/氮元素的高活性离子在金属涂层表面的还原与扩散反应，获得具有梯度特征的无缺陷Cr/CrN(C)复合涂层体系，显著提高防护性能。
  本项目获9项国家自然科学基金项目(面上+青年)资助，发表SCI论文45篇，总被引1600余次，他引1400余次，单篇最高他引248次；获授权发明专利29项，实现技术转让7项；出版专著2部。项目总体成果达到国际先进水平，其中在熔盐制备理论与技术方面处于国际领先。项目成果在粤博科技有限公司得到推广应用，涂层性能满足美国能源部（DOE）技术指标，为企业创造了良好的经济效益。本项目对于提升我国在氢能燃料电池领域的国际竞争力、加快能源绿色低碳转型具有重要的意义。