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第一作者：Han Liu

通訊作者：鄭南峰，陶華冰

通訊單位：廈門大學

論文速覽

本研究針對質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）技術(shù)中存在的高成本、效率不足和壽命短的問題，識別了由陰極催化劑層（ACL）中離聚物的動態(tài)變化引起的PEMWE的一個重要退化機制，這是一種純機械的微觀結(jié)構(gòu)退化。

研究發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)理解相反，ACL的微觀結(jié)構(gòu)并非靜態(tài)，而是由于局部膨脹/蠕變/遷移，微孔傾向于被離聚物占據(jù)，特別是在ACL/PTL（多孔傳輸層）界面附近，它們形成反應物/產(chǎn)物對的傳輸通道。因此，ACL在PTL/ACL界面增加離聚物會表現(xiàn)出快速且持續(xù)的退化。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)ACL的微觀結(jié)構(gòu)與催化劑墨水之間存在密切的相關(guān)性。通過調(diào)整催化劑墨水的微觀行為，成功優(yōu)化了ACL中的離聚物分布，減少了ACL/PTL界面的離聚物并豐富了ACL/PEM界面的離聚物，當在2.0 A/cm2和80℃下操作時，將衰減率降低了三倍。這些發(fā)現(xiàn)為實現(xiàn)低成本制氫提供了一種通用方法。

圖文導讀

圖1：兩種設(shè)計的ACL在700小時耐久性測試中的電化學性能對比

圖2：通過調(diào)整催化劑墨水的微觀行為來一步制備GID-ACL的過程，以及催化劑墨水中離聚物和催化劑的分布情況。

圖3：AFM在空氣中對ACL內(nèi)部的離聚物布進行了表征，顯示了GID-ACL和Norm-ACL的離聚物沿截面的梯度分布。

圖4：對比了GID-ACL和Norm-ACL的降解行為，GID-ACL在耐久性測試中顯示出更低的降解率和過電位。

圖5：LP-AFM對老化后的GID-ACL和Norm-ACL進行了詳細的結(jié)構(gòu)表征，揭示了兩種ACL結(jié)構(gòu)的退化機制。

圖6：在1.0 kW PEM堆中使用GID-ACL的PEMWE性能和耐久性測試結(jié)果。

總結(jié)展望

本研究的亮點在于通過優(yōu)化催化劑墨水的微觀行為，成功制備了具有梯度離聚物分布的ACL結(jié)構(gòu)，顯著提高了PEMWE的穩(wěn)定性和耐久性。實驗數(shù)據(jù)表明，在2.0 A/cm2和80℃的條件下，優(yōu)化后的GID-ACL結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，耐久性提高了三倍。

這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計更高效、更穩(wěn)定的PEMWE催化劑層提供了新的策略，并有助于推動PEMWE技術(shù)在能源應用中的商業(yè)化進程。未來的研究可以進一步探索具有更高機械穩(wěn)定性的ACL結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)更長壽命的PEMWE系統(tǒng)。

文獻信息

標題：Optimizing Ionomer Distribution in Anode Catalyst Layer for Stable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.20240278

原創(chuàng)文章，作者：wang，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/05/06/db8b4544a4/

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廈門大學鄭南峰/陶華冰團隊，最新AM！

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