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2024年4月28日下午12:54 • 顶刊 • 阅读 22

第一作者：Han Liu

通讯作者：郑南峰，陶华冰

通讯单位：厦门大学

论文速览

本研究针对质子交换膜水电解（PEMWE）技术中存在的高成本、效率不足和寿命短的问题，识别了由阴极催化剂层（ACL）中离聚物的动态变化引起的PEMWE的一个重要退化机制，这是一种纯机械的微观结构退化。

研究发现，与传统理解相反，ACL的微观结构并非静态，而是由于局部膨胀/蠕变/迁移，微孔倾向于被离聚物占据，特别是在ACL/PTL（多孔传输层）界面附近，它们形成反应物/产物对的传输通道。因此，ACL在PTL/ACL界面增加离聚物会表现出快速且持续的退化。

此外，研究还发现ACL的微观结构与催化剂墨水之间存在密切的相关性。通过调整催化剂墨水的微观行为，成功优化了ACL中的离聚物分布，减少了ACL/PTL界面的离聚物并丰富了ACL/PEM界面的离聚物，当在2.0 A/cm²和80℃下操作时，将衰减率降低了三倍。这些发现为实现低成本制氢提供了一种通用方法。

图文导读

图1：两种设计的ACL在700小时耐久性测试中的电化学性能对比

图2：通过调整催化剂墨水的微观行为来一步制备GID-ACL的过程，以及催化剂墨水中离聚物和催化剂的分布情况。

图3：AFM在空气中对ACL内部的离聚物布进行了表征，显示了GID-ACL和Norm-ACL的离聚物沿截面的梯度分布。

图4：对比了GID-ACL和Norm-ACL的降解行为，GID-ACL在耐久性测试中显示出更低的降解率和过电位。

图5：LP-AFM对老化后的GID-ACL和Norm-ACL进行了详细的结构表征，揭示了两种ACL结构的退化机制。

图6：在1.0 kW PEM堆中使用GID-ACL的PEMWE性能和耐久性测试结果。

总结展望

本研究的亮点在于通过优化催化剂墨水的微观行为，成功制备了具有梯度离聚物分布的ACL结构，显著提高了PEMWE的稳定性和耐久性。实验数据表明，在2.0 A/cm²和80℃的条件下，优化后的GID-ACL结构相较于传统结构，耐久性提高了三倍。

这一发现为设计更高效、更稳定的PEMWE催化剂层提供了新的策略，并有助于推动PEMWE技术在能源应用中的商业化进程。未来的研究可以进一步探索具有更高机械稳定性的ACL结构，以实现更长寿命的PEMWE系统。

文献信息

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

期刊：Advanced Materials

DOI：10.1002/adma.202402780

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