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氢能科研助手
今日清洁能源追求中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）因高效环保备受瞩目，但成本和耐久性是商业化障碍。一项显微镜研究PEMFC催化剂墨水，为提升性能提供新方向。
催化剂层为PEMFC核心，微观结构影响氧气、氢气、质子传输。离子体分布与碳网络发展决定电子传输。研究发现，Pt/C催化剂墨水制备条件（分散溶剂选择、混合时间和功率）影响层形态和结构，进而影响离子网络连续性、阴极层孔隙率及电池质子传导性和传质。
实验要点
Ink与电极制造
Giner Inc.制备了乙二醇(EG)基和正丙醇-水(NPA)基两种催化剂墨水。EG基墨水由TANAKA Pt/HSC催化剂、EG及5wt.% D2021离聚物构成；NPA基墨水则添加NPA、DI水及Nafion D2021离聚物。墨水经氧化锆球磨机研磨3-5天，溶剂与催化剂比重30-40，离聚物与碳比(I/C)为0.9。使用Mayer棒法涂于PTFE基材，Pt负载0.1 mg/cm²。流变性和Zeta电位分别通过Kinexus流变仪和Zetasizer测量。
MEA制造与电池组装
阳极采用0.2 mg/cm² Pt/XC催化剂，热压于N211膜上。阴阳极均用25 cm² Scribner三蛇形流场，配29 BC SGL气体扩散层，34%压缩下用Furon垫圈组装。
结果与讨论
Ink特性分析
图1揭示了混合时间对乙二醇（EG）基催化剂墨水流变性的影响。数据显示，随着混合时长增加，EG基墨水的粘度上升，表明催化剂聚集体逐渐分散成更小的单位。同时，墨水的相位角下降，意味着其稳定性增强，弹性和粘度模量趋向平衡，有助于减少相分离，提升电极结构的均匀性。具体而言，经过3天与5天的混合，EG基墨水的流变特性从高粘度状态转变为更稳定、相分离减少的状态，这对质子交换膜燃料电池（PEMFC）催化剂层的性能与耐久性提升具有积极作用。
Zeta电位体现了分散介质中颗粒表面电荷或相似电荷颗粒间的静电排斥力，是衡量胶体稳定性的重要指标。表1显示，所有NPA和EG油墨的zeta电位绝对值均超过30 mV，表明它们具有足够的排斥力来维持油墨的稳定性。
SEM图像揭示催化剂层形态
图2通过SEM展示了NPA和EG基催化剂墨水在PEMFC阴极层中，不同混合时间（3天、5天）的形态。BOL时，3天和5天混合的EG基及3天混合的NPA基墨水厚度和形态相似，但3D NPA样本均匀性较差。30K SW AST后，3D NPA样本Pt带形成更严重，衰减更高。5天混合的EG样本因粘度增加，涂层更薄。结果表明，延长混合时间提升耐久性，EG作为溶剂比NPA更能维持催化剂层稳定性和性能。
TEM揭示Pt粒子尺寸变化
图3通过TEM展示了不同混合时间下，EG和NPA基催化剂墨水中Pt粒子尺寸的变化。测试后，3D NPA基催化剂层Pt粒子增长约80%，而3D和5D EG基样本分别增长30%和35%。这意味着3D NPA基催化剂层衰减和电化学活性表面积损失更高。相比之下，5D EG样本Pt粒子增长小，耐久性更好，归因于较低的Pt粒子聚集和较小的Pt带形成。
STEM-EDX映射揭示Pt与离子体分布
图4和图5通过STEM-EDX映射展示了不同混合时间下，EG和NPA基催化剂墨水制备的PEMFC阴极层中Pt和离子体分布。图4显示，BOL时各样本Pt和离子体分布相似，EOL时3D NPA样本Pt耗尽层和损失更明显，而5D EG样本Pt带形成少，耐久性更好。图5中，EOL时3D NPA样本离聚物多，5D EG样本离聚物连接更均匀。这表明延长混合时间和选择适当溶剂能改善离聚物和Pt分布，提升PEMFC催化剂层耐久性和性能。
图6显示，3D NPA BOL样品离聚物分布颗粒结构边缘锐利。EOL时，EG基样品离聚物连接更均匀，NPA基样品离聚物团聚多，氟强度不均，影响质子转移，降低MEA耐久性。高倍数Pt图显示，3D NPA BOL样品Pt分布均匀，EOL时团聚和损失严重。相比3D样品，5D EG EOL样品Pt颗粒团聚轻，耐久性更好。
图7显示，3D NPA MEA在较高电流密度下性能优于EG基MEA，归因于阴极孔隙率高，利于氧气分布和水排出。同时，5D EG MEA性能优于3D EG样品，因5D EG中Pt团聚程度低，反应表面积大，ECSA损失小。
燃料电池耐久性测试结果
图8展示了不同混合时间下EG和NPA基催化剂墨水在PEMFC中的耐久性。
经30K SW AST测试，5天混合的EG基MEA表现最佳，电流密度损失最小，显示长混合时间提升耐久性。而3D NPA基MEA电流密度损失最大，可能与Pt耗尽区域宽、粒径增长大及Pt损失有关。
分析显示，5天混合的EG基墨水制备的MEA在AST后ECSA损失最小（23%），而3天混合的EG基和NPA基MEA损失分别为42%和48%。这与TEM观察到的Pt粒子增长和STEM-EDX映射揭示的Pt聚集程度相符。5D EG样本在测试中保持了更好的催化剂活性，归因于Pt粒子增长小、聚集程度低。
图9显示，耐久性测试后，5D EG MEA质量活度损失30%，而NPA MEA损失高达85%。
NPA基MEA初性能优于EG基，但质量活性损失大，耐久性低。电子显微镜技术支持此结论。STEM-EDX分析显示，3D NPA BOL样本次级孔隙率高，初始性能好。但TEM显示，NPA阴极层Pt粒径大，熟化明显，Pt耗尽带宽，损失高，耐久性低。此外，5天混合的EG基电极与3天混合的相比，Pt聚集程度低，负载高。
本文由氢能助手提供
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