燃料电池，如质子交换膜燃料电池（PEMFCs），能够直接将燃料和氧化剂的化学能转化为电能，使其成为未来氢能经济中的关键组件。尽管PEMFCs自2014年在汽车领域实现商业化以来取得了显著进展，但其广泛应用仍受到高昂成本和有限使用寿命的限制[[1], [2], [3]]。降低PEMFC堆栈成本的关键策略是提高其在高电流密度下的性能。这可以实现高功率密度运行，从而减少所需的堆栈尺寸，进而降低整个系统的成本。然而，在高电流密度下，由于高湿度气体流动、氧还原反应（ORR）产生的大量水以及电渗效应的增强，液水淹没成为主要挑战。液水淹没会阻塞气体孔隙，覆盖活性催化位点，最终导致性能暂时下降、运行不稳定和长期退化[1,[4], [5], [6]]。
气体扩散层（GDL）是位于流道板和催化剂层（CL）之间的关键质量传输介质，承担着两个主要任务：在CL上均匀分布反应气体并从膜电极组件（MEA）中排出液水。如果GDL的结构设计或材料选择不当，液水将无法被有效且迅速地从CL中去除，从而导致淹没[[7], [8], [9], [10], [11], [12]]。因此，必须合理设计GDL的结构和组成，以确保在高电流密度下及时去除水分。研究表明，在GDL基底（即多孔基底MPS）和CL之间加入微孔层（MPL）可以有效减轻CL-GDL界面处的液水积聚并降低界面水饱和度。MPL通常是通过在MPS上涂覆碳黑和疏水剂（例如聚四氟乙烯（PTFE）的混合物来制备的。与平均孔径在5至40微米之间的MPS相比，MPL具有更细的孔结构，平均孔径约为0-200纳米，接近CL的孔径分布[15,16]。MPL的存在避免了GDL-CL界面处孔径的突然变化，促进了液水从CL向流道的传输。此外，MPL相对光滑的表面有助于保护CL并减少CL与GDL之间的界面接触电阻[17,18]。
已经证实，MPL的孔隙率和孔径分布显著影响气体和液水的传输过程，从而影响电池性能[[19], [20], [21], [22]]。为了优化MPL的孔隙率和孔径分布，人们探索了多种方法，包括改变碳材料和疏水剂的类型和负载量[[8,[23], [24], [25], [26]]、使用孔形成剂[30]（例如某些可分解盐类如Li2CO3 [31], (NH4)2C2O4 [32], NH4Cl [33]），以及应用各种制备技术[34,35]。例如，Wang等人[36]研究了不同碳材料对MPL孔隙率和孔径分布的影响及其对PEMFC性能的影响。他们发现，含有乙炔黑基MPL的MEA在高电流密度和高相对湿度（RH）条件下表现出较低的质量传递阻力和更好的电池性能。这种提升归因于MPL中中孔和大孔的比例较高以及其较大的平均孔径。
除了研究具有均匀孔结构的单层MPL外，还研究了具有梯度孔结构的MPL以改善PEMFC中的水分管理[33,34,[37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47]]。例如，Tang等人发现，使用NH4Cl作为孔形成剂制备的孔隙率渐变MPL从CL-MPL界面向MPL-MPS界面逐渐增加，提供了更高的毛细压力，从而优于均匀MPL[33]。同样，Li等人[48]制备了一种具有分层孔结构的双层MPL，在100%相对湿度下实现了1.24 W/cm2的峰值功率密度和3.5 A/cm2的有限电流密度，超过了商用GDL的性能（1.15 W/cm2, 3.399 A/cm2）。此外，Yoshimune等人[34]通过无溶剂静电丝网印刷方法制备了孔隙率渐变MPL，使得MEA在120%相对湿度下表现出优异的耐淹没性能，电流密度为2.4 A/cm2，远高于商用GDL的1.2 A/cm2。
不同的碳材料通常具有不同的形态、粒径、比表面积、孔径分布和表面性质[8,36]，这些都会影响最终MPL的孔结构。例如，乙炔黑的粒径较大（约40纳米），导致MPL的孔径也较大；而Vulcan XC-72（VXC72）的粒径较小（约30纳米），导致MPL的孔径较小。因此，依次在MPS上沉积不同的碳材料层是一种简单且可行的方法来制备梯度MPL。Lin等人[44]通过首先在MPS上喷涂乙炔黑层，然后喷涂VXC72层，制备出了具有孔径梯度的MPL，从而提高了GDL中的水分去除能力。
石墨烯是一种二维（2D）碳材料，具有出色的电导率和热导率[49]，使其在MPL应用中具有巨大潜力[50,51]。由于其独特的片状形态，基于石墨烯的MPL通常具有均匀且无裂纹的表面特性，有效支撑了CL，减少了催化剂在GDL中的渗透，提高了催化剂利用率[23,[51], [52], [53], [54]]。石墨烯的片状结构和较大的横向尺寸（通常超过几微米）也大大减少了MPL对底层MPS的渗透，而传统的碳黑MPL往往渗透较深[23]。过度的MPL渗透会降低GDL的孔隙率和平均孔径，增加孔隙网络的曲折度，从而影响GDL的水分排放能力[55,56]。研究表明，随着MPL渗透的减少，PEMFC的性能得到提升[55]。此外，孔隙率分析显示，石墨烯MPL的平均孔径大于传统碳黑MPL[54,57]。例如，粒径约为30纳米的石墨烯MPL含有较多的中孔（微孔体积：6%，中孔体积：40%，大孔体积：19%），而传统的碳黑MPL（如KJ 600JD，约34纳米）则含有较多的微孔（微孔体积：37%，中孔体积：29%，大孔体积：13%）[23]。这些发现为在MPS和传统碳黑MPL之间引入石墨烯层设计新型梯度MPL提供了坚实基础。预计这种双层MPL将同时具有分层孔径梯度和减缓的MPL渗透，从而显著提高液水去除能力。
因此，本研究的目的是通过形态学、物理和结构表征以及单电池性能和加速稳态评估，研究由石墨烯层和传统碳黑层组成的梯度MPL的液水去除能力。为此，通过在MPS上依次涂覆石墨烯层和VXC72层，制备了一种双层MPL（VXC72-G-MPL）。利用表面和横截面扫描电子显微镜（SEM）、静态水接触角、热扩散率以及孔结构分析（结合基于杨-拉普拉斯方程和流体动力学的理论分析），建立了双层MPL的物理化学特性与其液水传输能力之间的关系。此外，在恶劣条件下（即低温运行、过度加湿和高电流密度）全面评估了含有VXC72-G-GDL的MEA的性能和稳定性，以验证所提出结构的优异液水去除能力。
