鋁合金由于輕質、上海雙極高強及加工性能良好，電力大學在質子交換膜燃料電池（PEMFC）雙極板中具有應用前景。合金然而，板表酸性高溫條件下，面非活性鋁合金表面極易腐蝕，晶碳影響雙極板的層的材料傳導性，制約電池使用穩定性和安全性。腐蝕防護目前，上海雙極針對雙極板表面防護涂層主要包括金屬涂層、電力大學導電聚合物復合涂層和非晶碳層。合金金屬涂層采用磁控濺射等方法構筑，板表其制備要求高，面非成本高；導電聚合物復合涂層填料均勻分散困難；非晶碳層兼具防腐和導電性，晶碳是層的材料雙極板表面防護的理想選擇。目前非晶碳層主要是噴涂和磁控濺射制備，低的制備速率、低穩定性及弱結合強度是目前應用的挑戰。

因此，亟需發展快速、低成本構建面向雙極板表面防護用涂層的策略，助力燃料電池安全穩定應用。蠟燭在不完全燃燒過程中形成的碳顆粒聚集，可構筑分級粗糙結構。碳顆粒表面疏水官能團提供阻隔性。基于此，利用蠟燭灰快速沉積構建非晶防護涂層，有望解決以上問題。另外，由蠟燭灰沉積構建非晶碳層在酸性條件下的腐蝕防護行為和防護機制仍不清晰。

上海電力大學、上海市電力材料防護與新材料重點實驗室曹懷杰近年來圍繞鋁合金雙極板表面腐蝕防護開展研究。提出一系列MXene復合涂層（Corrosion Science, 2024, 232: 112044; Journal of Colloid and Interface Science, 2024, 685, 865-878）和非晶碳轉換防護涂層(Surface and Coatings Technology, 2022, 445: 128709)的構建方法并揭示其防護機制。在此基礎上，提出利用蠟燭灰快速沉積構筑非晶碳層，結合原位腐蝕觀測、腐蝕電化學測試、恒電位極化測試、表面形貌及組成分析，研究非晶碳層在模擬PEMFC環境下的腐蝕防護行為及作用機制。相關成果“Fast and low-cost deposition strategy for constructing amorphous carbon layer toward corrosion protection on aluminum alloy bipolar plates in proton exchange membrane fuel cell environments”近期發表在《Journal of Power Sources》上。該研究得到上海市揚帆計劃、上海市電力材料防護與新材料重點實驗室經費支持。論文第一作者是上海電力大學環境與化學工程學院研究生馬曉晴和王天歌，通訊作者曹懷杰。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2024.235479

在本研究中，作者提出在短時間內(4 min)實現非晶碳顆粒的快速沉積，從而提高鋁合金在模擬PEMFC環境中耐蝕性能。由蠟燭不完全燃燒產生的非晶碳層直接沉積在鋁合金上，在沒有復雜的合成工藝和昂貴的設備的情況下，涂層修飾后腐蝕電流密度降低至8.028×10^-8A/cm²。

圖1 非晶碳層表面形貌、元素組成及涂層厚度

相比于空白Al合金表面(圖1)，蠟燭灰沉積后表面粗糙度增大。能譜顯示了Al、Si、O和C等元素的分布。Al-C的截面結構顯示，非晶碳層的涂層厚度為49.71 μm。表面形貌和能譜圖證實了鋁合金表面碳的存在。

圖2 水滴在非晶碳層表面潤濕性及彈跳行為

在不同沉積時間下非晶碳層的表面潤濕性如圖2所示。空白鋁合金表面呈現親水性。碳層沉積后，Al-C樣品呈現疏水表面。結果證實，蠟燭灰沉積即可在金屬表面形成疏水層，而無需傳統的表面粗化工藝。此外，在沉積時間為4 min時，Al-C樣品可實現超疏水性。強超疏水性對腐蝕介質形成物理屏障。另外，液滴在碳層表面呈現彈跳行為。

圖3 原位觀測非晶碳層在酸性條件下的腐蝕行為

原位腐蝕實驗（圖3）證明非晶碳層對酸性條件下H⁺的阻隔作用。空白鋁合金表面可觀察到氫氣泡快速生成。非晶碳層表面修飾后，氫氣泡數量較少，生成速率顯著降低。在涂層區和無涂層區，對比更為明顯。因此，構筑的非晶涂層在酸性環境中具有較強的物理阻隔性。同時，浸泡4h后涂層沒有脫落。

圖4 非晶碳層在酸性溶液中浸泡后表面形貌、潤濕性及化學組成分析

在模擬質子交換膜燃料電池環境中浸泡實驗后，在鋁表面觀察到細小的裂紋和空洞，表面親水性增強。而非晶碳層樣品浸泡后表面形貌結果表明，碳顆粒聚集狀態沒有改變，表面仍呈現強的疏水性。碳層的存在仍然為腐蝕物質提供了物理屏障。拉曼光譜結果表明鋁合金表面硫酸鹽腐蝕產物的存在，而Al-C樣品表面檢測到典型的碳信號峰。從FTIR和XPS結果來看，在酸性環境中浸泡試驗后，化學成分和表面官能團沒有變化(圖4)。因此，由非晶碳納米顆粒聚集形成的完整結構和疏水碳顆粒的存在使涂層具有超疏水性，為強耐蝕性提供了條件。

圖5 非晶碳層在酸性溶液中的高溫動電位極化曲線測試和恒電位極化測試

Al和Al- C在高溫(60℃)下的開路電位和極化曲線如圖5所示。60℃酸性溶液中Al-C的E_corr值為-0.249 V,i_corr值降至1.399×10^-6A/cm²。正的E_corr值和低的i_corr值表明，在酸性環境中非晶碳涂層增強了鋁合金的耐蝕性。在超過20000s恒電位極化測試后，Al和Al- C樣品都呈現穩定的電流密度。經過長期極化測試，Al- C樣品在酸性溶液中表現出比Al合金更低的電流密度，證實其穩定的耐腐蝕性能。

圖6 非晶碳層在酸性溶液中的腐蝕防護機制

當空白鋁合金暴露在酸性溶液中時，由于其陽極溶解而腐蝕。鋁合金參與陽極反應，失去電子，浸泡一段時間后，腐蝕產物在表面形成一層膜，使析氫反應速率降低。在鋁合金上形成硫酸鹽和氟化物。在Al-C樣品（圖6）中，碳層的存在和高疏水性使涂層具有較高的抗腐蝕能力。超疏水性導致“空氣墊效應”，從而阻止腐蝕介質的滲透。在酸性環境中，碳涂層對腐蝕性物質的強物理屏障可以抑制析氫反應。此外，碳顆粒的積累可以延長腐蝕介質的擴散路徑。因此，物理屏障和非晶碳層的顯著鈍化可以抑制鋁合金在模擬PEMFC環境中腐蝕動力學過程，從而為鋁合金提供穩定的耐蝕性。