用于质子交换膜水电解的高通量催化层研究平台——从制备到电化学测试

《ACS Applied Energy Materials》：Enabling High-Throughput Catalyst Layer Studies for PEM Water Electrolysis─From Fabrication to Electrochemical Testing

　　

摘要
质子交换膜水电解器（PEMWEs）在能源行业脱碳中发挥关键作用。然而，由于铱资源有限且降低PEMWE堆叠整体成本的需求，在阳极氧析出反应（OER）侧减少铱负载对于实现高效氢气生产至关重要。当优化阳极以实现最低催化剂负载时，需综合考虑影响其活性和稳定性的多种参数，包括孔径、支撑材料及离聚物与催化剂比（I/C比）。目前，参数优化依赖于耗时且资源密集的单次涂层实验和整堆测试。本文提出了一种用于PEMWE阳极催化层的高通量涂布与测试平台，该平台包括台式槽模涂布装置用于梯度催化层制备，以及结合感应耦合等离子体质谱（ICP-MS）的半侧催化剂涂膜（CCM）扫描流动池（SFC）电化学测试系统。通过一次涂布实验改变槽模头体积流，实现加速催化剂负载研究。湿膜厚度通过激光轮廓传感器（LPS）在线控制，负载通过X射线荧光（XRF）测定。随后，利用半侧CCM ICP-MS系统分析催化剂的OER活性与稳定性。结果显示湿膜厚度、负载及催化剂层活性与稳定性具有一致性，验证该平台可加速催化层参数优化，从而提升PEMWE及其他能量转换技术中催化层的效率与稳定性。

论文解读
本研究针对质子交换膜水电解器（PEMWEs）在绿色氢能生产中的关键制约——高成本贵金属负载与催化剂层优化难题展开。现有方法依赖单次涂层和整堆测试，耗时长、资源消耗高，且难以实现多参数快速筛选。特别是在阳极氧析出反应（OER）层中，催化剂负载过低会导致催化剂层不均匀，从而影响电子与质子传导性能，并可能降低活性和稳定性。因此，需要开发高通量、可控且精准的催化层制备与表征方法，以优化孔径、支撑材料及离聚物与催化剂比（I/C比）等关键参数。

研究人员设计了一套台式卷对卷（R2R）槽模涂布系统，用于梯度涂层制备，同时结合半侧催化剂涂膜（half-CCM）扫描流动池（SFC）与感应耦合等离子体质谱（ICP-MS）电化学测试系统，形成高通量催化层制备与表征平台。在一次涂布实验中通过调节槽模头体积流实现催化剂负载梯度，湿膜厚度由激光轮廓传感器（LPS）实时监控，负载通过X射线荧光（XRF）精确测定。样品随后通过热压转印到Nafion膜上制备半侧CCM，并在ICP-MS联用系统中进行OER活性与溶解稳定性测试。

实验显示，在涂布梯度区内湿膜厚度和铱负载均匀可控，XRF测得负载在1.44–0.86 mg_Ir cm^?2范围内呈线性下降趋势。LPS用于检测涂层缺陷及边缘效应，通过倾斜校正和表面反射修正实现高精度三维厚度测量。半侧CCM测试表明，随着铱负载增加，电化学活性（ECSA）提升，循环伏安（CV）积分电荷增加，极化曲线显示在低电流密度下电位与负载呈线性关系，符合Tafel方程预测；低负载下Tafel斜率增大，表明催化剂利用率受限。稳定性评估通过ICP-MS实时监测铱溶解量并计算S-Number，结果显示S-Number随负载增加及电流密度降低而提升，提示更高负载和适当操作电流有助于延长电解槽寿命并提高每单位铱的产氢量。

在方法方面，研究采用三项核心技术：（1）台式R2R槽模涂布实现高通量梯度催化层制备，控制湿膜厚度和均匀性；（2）X射线荧光（XRF）用于非破坏性铱负载精确定量；（3）半侧CCM ICP-MS电化学测试评估催化层OER活性与稳定性，结合在线溶解监测实现快速数据获取和趋势分析。

研究结果按小标题总结如下：
**XRF校准**：建立铱负载与XRF强度的二次多项式关系，实现局部负载精确量化；
**涂层缺陷检测与湿膜厚度评估**：LPS三维成像发现边缘效应和低流量区的厚度变化，便于选取均匀区域用于电化学测试；
**半侧CCM制备**：通过热压转印制备直径3 mm的样品，确保负载均匀且可重复；
**电化学表征**：CV积分电荷随负载增加，极化曲线显示电位随负载线性变化，低负载区域Tafel斜率升高，S-Number随负载增加与电流密度降低而上升；
**边缘效应与负载均匀性分析**：涂布中间区域最大负载平滑化，边缘效应向中心扩展，但在校正后的均匀区域可获得稳定的样品用于半侧CCM测试。

讨论部分表明，高通量涂布与半侧CCM ICP-MS测试平台可显著缩短催化剂层参数优化时间，并提供可靠的负载、活性及稳定性数据。研究结论指出，通过梯度涂布优化铱负载、控制湿膜厚度和均匀性，并结合半侧CCM ICP-MS评估，可在保证催化剂利用率和稳定性的前提下，提高PEMWE阳极催化层性能。这一平台为未来低成本、高效率的绿色氢能生产提供了可行技术路径，并对其他电能转换系统催化层优化具有示范意义。论文发表在《ACS Applied Energy Materials》。