随着智能储能技术正在增强可再生能源的应用,全球能源和交通运输格局正在发生巨大变化。 燃料电池将是智能储能基础设施的一个重要组成部分,可为固定式和移动式应用提供本地生成的能量。 特别是在交通运输部门,由氢燃料电池供电的电动汽车日益受到人们的青睐,预计未来将有潜力与由蓄电池供电的电动汽车竞争。 燃料电池汽车的充电速度非常快,而蓄电池供电型汽车至少需要 30 分钟才能充满电。 

此外,与当前的锂离子电池不同,燃料电池电极材料不使用任何有毒元素。
 
我们的分析解决方案可以解决燃料电池开发和优化方面的许多问题,例如质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 中的聚合物稳定性、固体氧化物燃料电池 (SOFC) 的原位结构变化以及催化剂效率。 特别是,我们的仪器可以分析碳基铂(铂黑)(作为 PEMFC 阳极和阴极中电化学反应的催化剂)如何影响燃料电池的效率。 在给定 Pt 载量下,控制燃料电池效率的关键参数是 Pt 颗粒粒度、碳聚集体尺寸以及控制催化剂层微结构和宏结构的催化剂墨水配方。 分析这些因素有助于制造商开发出尽可能高效的燃料电池。

如何确保燃料电池催化剂的高特异性活性?

PEMFC 采用昂贵的 Pt 催化剂来促进氢氧化反应 (HOR) 和氧还原反应 (ORR)。 分散在碳载体上的 Pt 颗粒的粒度会直接影响催化活性。 较小、分布良好的 Pt 颗粒具有更大的表面面积,因此在给定 Pt 载量下具有更好的特异性活性和质子转换效率。

但是,由于通过晶体迁移产生的聚结或通过改良的 Oswald 熟化产生的生长(具体取决于碳基体的微结构),较小的颗粒可能会随着燃料电池在高温下的使用而变大。 此外,碳聚集体的微结构也对有效的离子输运起着重要的作用。 因此,Pt 颗粒粒度和碳聚集体尺寸对优化燃料电池电极中的催化剂活性均发挥着重要作用。

如何测量 Pt 颗粒粒度?

X 射线衍射 (XRD) 的晶粒尺寸测量值可用于估算 Pt 颗粒粒度。 这是因为,在通常为 1-10 nm 的纳米级金属颗粒中,晶粒尺寸可能与颗粒粒度相同。 此测量可在紧凑型衍射仪(例如我们的易于使用的 Aeris XRD)上准确地完成。 特别是,Aeris 可用于测量原位烧结,以了解 Pt 颗粒如何随烧结温度而变粗,从而能够更准确地分析 PEMFC 中的催化剂活性。

另一种直接测量 Pt 颗粒粒度的方法是小角 X 射线散射 (SAXS)。 可在我们的 Empyrean XRD 平台上单独执行 SAXS 分析,或执行 SAXS 和 XRD 分析,并结合原位烧结,从而深入了解 Pt 颗粒粒度和粗化如何影响燃料电池的效率。

如何测量碳聚集体尺寸?

燃料电池催化剂中的碳颗粒可聚集并达到 0.5-5 µm 的尺寸,并且形状极其细长。 分析这些形状可帮助燃料电池开发人员最大限度地提高效率。 为此,采用激光衍射这一非破坏性技术来测量这些颗粒的粒度,并比较不同样品中的颗粒粒度分布。 在使用激光衍射技术进行粒度测量方面,我们领先的 Mastersizer 3000 树立了业界标杆。 可以对以干粉或浆料分散体形式存在的样品进行测量。

测量碳聚集体的另一种方法是动态光散射 (DLS)。 DLS 通过分析分散在液体中的颗粒的布朗运动来测量颗粒粒度。 较大的颗粒漂移缓慢,而较小的颗粒漂移快速。 对于粒度范围介于 1-1000 nm 之间的碳颗粒,DLS 的准确度非常高,因为这些颗粒不会因重力而沉淀。 我们的 Zetasizer 是使用 DLS 技术测量浆料中碳聚集体尺寸的理想仪器。 不仅如此,Zetasizer 还可以用于测量 zeta 电位,以确定颗粒形成大型聚集体的趋势。

如何测量催化剂墨水的稳定性?

在催化剂墨水中,碳载体上的 Pt 颗粒与离子交联聚合物一起分散在液体中,通常具有表面电荷。 这些颗粒聚集在一起会导致涂层不均匀,进而对离子输运产生较高的阻力。 可通过测量与表面电荷有关的 zeta 电位来分析和防止这种情况。 具有较大 zeta 电位(超过 30mV)的颗粒会相互排斥,不太可能聚集,因此可形成更加稳定的墨水。 

除了测量粒度外,Zetasizer 还可以测量 zeta 电位。 它特别适合使用旨在测量高浓度样品的专用样品池来测量导电样品(例如催化剂墨水)。 这使开发人员能够开发出更稳定的墨水,从而实现更高效的燃料电池。

我们的解决方案

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