氢催化剂分析

氢催化剂是提高氢气生产、储存和利用效率的重要材料，在向可持续能源经济过渡方面发挥着至关重要的作用。氢催化剂可用于各种工艺，例如使用电解（使用铂和氧化铱）、光催化（使用二氧化钛）和蒸汽重整（使用镍基催化剂）等工艺生产氢气。 

在燃料电池中，铂和镍催化剂促进电化学反应，从氢气中产生电能，而储存催化剂有助于在金属氢化物等材料中有效吸收和解吸氢气。此外，氢催化剂是氨生产和加氢裂化等工业流程不可或缺的一部分，有助于实现更清洁的能源和创新工业应用。

氢经济的关键组成部分包括：

制氢

蒸汽甲烷重整 (SMR) 是一种传统的制氢方法，通过甲烷氧化反应生成氢气和二氧化碳来制取氢气_。还有一种更清洁的氢气生产方式是通过电解槽，电解槽利用电力将水分解成氢气和氧气。如果电力来自太阳能和风能等可再生能源，那么它就被称为“绿色氢”。

储氢

氢气可以通过压缩或液化方式储存。或者，它也可以作为金属氢化物进行化学储存。

使用氢

氢气可用于发电，可以燃烧产生热量，也可以用作还原剂从氧化物中生产金属。燃料电池（通常用于氢电动汽车）通过氧化氢来产生电力。

生产电解槽和燃料电池时会用到碳载催化剂粉末，催化剂粉末被转化为催化油墨并涂覆在质子交换聚合物膜上。 

催化粉末包含嵌入多孔碳基体中的纳米级金属催化剂。催化油墨配方复杂，其中碳催化剂聚集体与 Nafion 离聚物形成互连网络。 

粉末和油墨中的颗粒粒度、颗粒粒形、表面积和孔隙度在均质性、孔隙度和堆积密度方面对催化剂涂层的质量起着重要作用。就颗粒聚集/沉降，以及粉末、油墨和涂膜中金属催化剂的负载量而言，这是浆料稳定性的另一个重要参数。

催化油墨采用复杂的配方，其中含有负载在碳黑上的 Pt 催化剂，该催化剂由 Nafion 离聚物与一系列颗粒及其聚集体结合，如右图所示。

表征这一点需要采用一系列不同的粒度测定技术。我们采用X射线衍射 (XRD)、激光衍射 (LD) 和动态光散射 (DLS) 技术来表征不同粒度范围内的颗粒。

图片：催化油墨配方中的颗粒示意图。

催化剂 Pt 颗粒 

催化剂 Pt 颗粒粒度为 2-5 nm，分散在活性碳载基体上。较小的颗粒往往会扩散，使其不稳定。另一方面，颗粒粒度较大会降低催化活性。可以使用我们的 Aeris 或 Empyrean XRD 测量 Pt 颗粒粒度。 

XRD 测量晶粒尺寸，低于 10 nm 可能是颗粒粒度。  

使用 Aeris XRD 测量 Vulcan 碳载体上三种不同负载量的 Pt 催化剂。得出的颗粒粒度表明，在较高的 Pt 负载下，Pt 会结块。

碳黑 

可以使用我们的动态光散射系统 Zetasizer 纳米粒度仪来确定催化油墨中碳黑的尺寸。 

我们获得专利的非侵入背散射 (NIBS) 技术可以根据样品表征（如不透明度和浓度）自动改变光程。因此，可以测量高浓度、不透明的浆料（如催化油墨），从而在一定浓度和粒度范围内提供准确的颗粒粒度，同时保持一致的结果。 

此外，Zetasizer 可以测量 zeta 电位或粒子上的电荷。高带电颗粒将保持分散，而低带电颗粒往往会聚集。

图片：使用 Zetasizer Pro 的 NIBS 技术对催化剂墨水进行 6 次重复 DLS 测量，结果显示分散碳颗粒的平均粒度为 210nm。

Mastersizer 3000+激光粒度仪 提供了另一种测量碳颗粒粒度的方法，特别是当样品中存在大于 1 μm 的团聚物时。 

Mastersizer 3000+ 采用激光衍射技术，因其高精度、可重复性和可靠性而被视为粒度测定的行业基准。

图片：使用 Mastersizer 3000 激光衍射粒度仪从 Pt/C 催化粉末样品中测量的颗粒粒度，其中样品中在 Vulcan XC-72 碳黑载体颗粒上具有三种不同的 Pt 负载水平（分别是 20%、40%、60%）。

催化剂粉末、油墨和涂膜的元素成分可以使用 Epsilon 4 或 Revontium EDXRF 系统进行测量。 

如果分析低于 Na 的低 z 杂质非常重要，则可以使用 Zetium WDXRF。

图片：XRF 光谱显示了通过使用 Epsilon 1 测量 40% Pt/C 样品获得的 Pt/C 催化剂中存在的元素。

Epsilon Xline 是研究催化剂涂层膜中元素成分均质性的卓越解决方案。 

该工具将我们先进的 Epsilon 4 技术与在线功能相结合，为超声波喷涂和卷对卷涂层工艺提供实时材料监测和最新工艺控制。这种定期分析意味着材料成分和负载不断优化，有助于最大限度地减少不合格生产并最大限度地提高成本效率。

除了精准的工艺控制外，Epsilon Xline 还能适应各种表面和催化材料。

下载我们的 Epsilon Xline 产品手册以了解更多信息。

Renewable and low-carbon Hydrogen to contribute over 20% of global carbon abatement by 2050.

Micromeritics products will play a key role in the development of adsorbents, membranes, and catalysts, which are critical for technology development. Our instruments provide world-leading technology for the characterization of particles, powders, and porous materials.

Micromeritics offers the most comprehensive portfolio of high-performance instruments to characterize the materials required to achieve a more sustainable future. 

Find out how each product can advance your catalyst, adsorbent and membrane development and analysis:

Catalyst instruments

AutoChem III

Utilizes dynamic techniques to characterize the materials active sites

• Optimize adsorption and dissociation of H₂/O₂ on electrolysis electrodes
• Understand if desorption occurs near reaction conditions
• Measure and quantify acid or base sites to optimize reactivity and selectivity

3Flex

Offers physisorption and static/dynamic chemisorption for characterizing catalysts and their supports

• Understand multi-metal catalysts’ effects on activation and adsorption of active species
• Select catalysts providing a higher turnover frequency
• Investigate influence of heat of adsorption

ICCS Catalyst Characterization

Provides in-situ characterization to understand the effect of reaction conditions on the catalyst

• Understand changes in performance over extended periods
• Determine the deactivation mechanism to maximize the catalysts’ lifetime
• Monitor changes in active sites, oxidative state, metal dispersion, and desorption behavior

Flow Reactor (FR)

Benchtop reactor studies to understand and optimize catalyst performance

• Understand reaction kinetics to optimize operating parameters and conversion
• Measure selectivity, efficiency, and lifetime of catalysts
• Study of reactions requiring a liquid/gas separator at pressure and temperature

Adsorbent and membrane instruments

3Flex

High-performance adsorption analyzer for measuring surface area, pore size and volume

• Understand adsorbent regeneration cost and best operating parameters
• Optimize pore size to maximize the uptake capacity of the adsorbent
• Predict the selectivity of a gas mixture using Ideal Adsorption Solution Theory (IAST)

BreakThrough Analyzer

Precise characterization of adsorbent or membrane under process-relevant conditions

• Lifetime and cycling studies to choose the best adsorbent technology
• Measure kinetic performance of adsorbents
• Understand humidity effects for CO₂/N₂ competitive adsorption

AutoPore V

Mercury porosimetry analysis permits detailed porous material characterization

• Characterize pore size to understand diffusion into adsorption sites
• Study and optimize pore size distribution, total pore volume, percent porosity, particle size, and total surface area
• Ensure a reproducible adsorbent manufacturing process

HPVA II

Static volumetric method to obtain high-pressure adsorption and desorption isotherms

• Investigate the quantity of H₂ or CO₂ adsorbed
• Increase productivity and reduce cost by optimizing the adsorption/ desorption cycle
• Study candidate materials and CO₂ storage sites