电池行业应用专题 | 生物医疗领域中的燃料电池催化剂油墨的状态和稳定性

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摘要

催化剂层作为催化剂包覆膜的活性成分，构成了聚合物电解质膜燃料电池的核心。为了实现燃料电池的优异性能，合理的催化剂层结构和功能性至关重要。因此，催化剂层前体需经过调整，再应用于膜上形成包覆膜。良好的分散特性是催化剂油墨大规模生产的基本条件。

目的

文中所述催化剂油墨制备采用磁力搅拌及超声波处理，并利用分析离心法研究油墨的状态和稳定性。

方法

油墨制备方面，我们分别采用磁力搅拌和超声波不同的制备方式，通过分析离心法评估油墨的状态与稳定性。

结论

利用Lum稳定性分析仪可对油墨样品的沉降与稳定性进行评估。

关键词

催化剂；燃料电池；稳定性分析；油墨

一、生物医疗领域中的燃料电池

在能源研究的历史中，生物医疗领域的燃料电池展现出高效能、高功率密度、低工作温度及卓越的耐久性。聚合物电解质膜燃料电池作为内燃机的潜在替代品，具有显著优势。催化剂作为包覆膜的关键成分，构成了聚合物电解质膜燃料电池的核心。为了提升燃料电池的性能，催化剂层的结构和功能性必须经过精细调整，以形成有效的包覆膜。良好的分散特性是保证催化剂油墨能够大规模生产的基本前提。

膜电极组件是燃料电池的核心部分，通常包含阳极和阴极催化剂层、聚合物电解质膜以及气体扩散层。催化剂层涉及氧化还原和氢氧化反应，特别是在促进氧化还原反应的阴极催化层上，成为提升燃料电池性能和成本控制的关键因素之一。尽管增大铂催化剂负载能够加速反应，但其经济可行性和可扩展性仍然面临挑战。因此，研究人员不断探索优化催化剂涂层和膜电极组件的设计，以促进燃料电池技术的进步。

高功率密度的燃料电池阴极通常由炭黑组成的催化剂油墨制成，形成一个稳定的骨架，这一高表面积的框架被铂粒子作为电催化剂装饰。催化剂油墨一般以液体形式分散，但在操作过程中，催化剂油墨最终会形成涂层敷在基底或膜上。阴极催化层中的Pt/C催化剂粉末在含有溶剂和离聚物的连续相中分散。

相较于传统的超声波喷涂、刮涂及对滚卷涂层等技术，喷墨打印在燃料电池制造中显示出技术优势，因而油墨的性能变得至关重要。由于碳材料具有较强的团聚倾向，油墨分散不良会导致聚集体的形成，进而在快速干燥过程中出现无序且控制不良的层，同时，聚集体还可能导致喷嘴的堵塞。

二、实验

样品配置方法

第一种油墨采用磁力搅拌器在500rpm下混合24小时（油墨样品MS）。第二种油墨通过超声波浴混合30分钟（油墨样品UB）。第三种油墨通过30分钟超声浴后，再用探针超声处理10分钟，振幅为20%（UB+S20）。第四种油墨则采用30分钟超声浴，后进行10分钟探针超声，振幅为70%（UB+S70）。

稳定性分析

使用波长为870nm的光源进行稳定性分析，转子转速为4000rpm（底部为2300g）。每次测量包括333个剖面图，每175秒记录一次，总离心时间为16小时。为检验重现性，每种分散方法在不同天数内制备了3种不同的油墨样品（共12个样本），并进行了三次重复测量。

三、设备介绍

德国LUM：LumiSizer采用STEP（Space-Time Extinction Profiles）技术，通过CCD检测器实时监测样品透光率的变化，以分析样品在分离过程中的状态。该设备能够物理加速样品，快速有效地测试稳定性，最高可达到2300倍重力加速度。无需稀释或了解样品成分，通过观察样品的指纹图谱以分析不稳定的原因（如分层、沉降或絮凝）并加以分类。最大可以同时测试12个样品，并可在4~60℃范围内进行温控，应用广泛，节省时间和资源。

该设备用于分析整体稳定性，包括不稳定性指数、指纹图谱、迁移速率及界面追踪等。针对生物医疗领域，催化剂的稳定性对原油采收率（EOR）尤为重要。在研发阶段，能够迅速分析不同配方的稳定性，加速研发进程，而在生产阶段，成品的稳定性直接影响大规模量产。如果稳定性较差，将面临巨大的生产挑战。此外，通过物理加速和温控手段，有望有效预估样品的长期稳定性。

在生物医疗领域，有许多技术与ag尊龙凯时品牌相结合，助力进一步的技术创新与发展。随着人们对可再生能源和清洁能源需求的增加，燃料电池技术必将迎来更广阔的发展前景。