減少鉑族金屬的使用對(duì)于質(zhì)子交換膜(PEM)電解系統(tǒng)的大規(guī)模部署至關(guān)重要。由于研究的重點(diǎn)主要集中在陽(yáng)極上，陰極催化劑層的優(yōu)化和陰極鉑負(fù)載的降低往往被忽視。然而，考慮到操作電池中氫通過(guò)膜的速率與膜-陰極界面附近的局部氫濃度之間的密切關(guān)系，陰極催化劑層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)被認(rèn)為對(duì)減少H2交叉至關(guān)重要，特別是在使用薄膜(小于50 μm)的情況下。在這項(xiàng)研究中，我們對(duì)陰極結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括Pt/C電催化劑的Pt wt %，碳載體類型(Vulcan和高表面積碳，HSAC)和離子含量，目標(biāo)是將Pt負(fù)載降低到0.025 mgPt/cm2，同時(shí)最小化電池氫交叉率。研究發(fā)現(xiàn)，陰極厚度的變化會(huì)導(dǎo)致界面接觸電阻的變化，從而影響電極的電化學(xué)性能。Pt/C中Pt wt %和離子導(dǎo)體含量與陽(yáng)極出口O2中H2含量呈正相關(guān)，而Pt負(fù)荷量呈相反趨勢(shì)。通過(guò)計(jì)算得到的陰極催化劑層內(nèi)的局部體積電流密度，分析了氫的交叉速率。根據(jù)所得的氫傳質(zhì)系數(shù)，在HSAC載體上采用離子與碳(I/C)比為0.35、Pt含量為40 wt %的陰極催化劑層是實(shí)現(xiàn)0.025 mgPt/cm2的低Pt負(fù)載和降低氫交叉率的最佳配置。結(jié)構(gòu)參數(shù)變化及相應(yīng)陰極催化劑層構(gòu)型研究綜述(a) Vulcan碳負(fù)載Pt/C催化劑和(b)HSAC負(fù)載Pt/C催化劑的陰極催化劑層(0.025 mgPt/cm2, I/C比為0.35)的SEM表面和橫截面圖像。陰極催化劑層的厚度(0.025和0.1 mgPt/cm2, I/C比率為0.35)在(C)中繪制為Pt/C中Pt wt %的反比函數(shù)，其中實(shí)際而不是標(biāo)稱Pt wt %值用于HSAC負(fù)載的Pt/C催化劑。

(a) Vulcan碳負(fù)載Pt/C催化劑和(b) HSAC負(fù)載Pt/C催化劑在Pt負(fù)載為0.025和0.1 mgPt/cm2 (I/C比值= 0.35)時(shí)的極化曲線和iR校正。(c) Vulcan碳負(fù)載Pt/ c催化劑在2 A/cm2 (I/C比率= 0.35)下的高頻電阻和電池電位的總結(jié)。(d)在HSAC和Vulcan碳載體上Pt/C催化劑中40% wt % Pt的透射電鏡圖像。(e)在負(fù)載Pt為0.025 mgPt/cm2時(shí)，HSAC載體上Pt/C催化劑中5%和50% Pt的iR校正;原理圖顯示了根據(jù)I/C比在碳載體上的離聚體覆蓋率。陰極和陽(yáng)極壓力都保持在環(huán)境條件下。(a) Pt/C中Pt wt %， (b) Pt負(fù)載，(C) I/C比對(duì)O2% Pt/C催化劑中H2的影響(d)顯示了在0.5 A/cm2下測(cè)量的O2中H2濃度的總結(jié)。所有測(cè)量都保持陽(yáng)極的環(huán)境壓力。(a) Pt/C中Pt wt %， (b) Pt負(fù)載，(C) I/C比對(duì)h2o2中Pt/C催化劑的影響。(d)顯示了在0.5 A/cm2下測(cè)量到的o2中H2的摘要。(e)使用hsac負(fù)載的Pt/C催化劑的陰極(I/C比= 0.35)，在12 h的電池調(diào)節(jié)階段，記錄的O2中H2隨時(shí)間的變化。所有測(cè)量都保持陽(yáng)極的環(huán)境壓力。在幾何電流密度為0.5 A/cm2時(shí)，陰極催化劑層內(nèi)的局部體積電流密度由一組模擬實(shí)驗(yàn)條件及其相關(guān)變化確定。黑線表示10 μm厚陰極催化劑層的基本情況，Pt/C催化劑中Pt含量為40 wt %， Pt負(fù)載為0.025 mgPt/cm2, I/C比為0.69。原理圖顯示了靠近膜電極界面的局部氫濃度分布圖。Vulcan碳負(fù)載Pt/C催化劑和HSAC負(fù)載Pt/C催化劑(I/C比= 0.35)的氫交叉通量與電流密度的函數(shù)關(guān)系及其線性回歸結(jié)果。對(duì)于所有測(cè)量，保持環(huán)境陽(yáng)極壓力。

計(jì)算了不同陰極催化劑層配置下電池陰極組分中的氫傳質(zhì)系數(shù)。保持陽(yáng)極的環(huán)境壓力。

本研究報(bào)告了在PEM水電解電池中將陰極Pt負(fù)載降低到0.025 mgPt/cm2的超低水平的效果，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化陰極催化劑層的設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)最小化電池氫交叉。系統(tǒng)地考察了Pt/C中Pt wt %、碳載體類型和離聚體含量等關(guān)鍵變量。對(duì)O2中測(cè)得的H2數(shù)據(jù)的分析表明，較低的Pt wt %和I/C比通常有助于降低氫的滲透速率。相比之下，鉑負(fù)載的減少可能會(huì)導(dǎo)致相反的效果，特別是在使用Vulcan碳負(fù)載催化劑的陰極中。通過(guò)觀察膜電極界面附近的局部體積電流密度和局部氫濃度的變化，闡明了這些觀察結(jié)果。計(jì)算了陰極組分的有效氫傳質(zhì)系數(shù)，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。值得注意的是，當(dāng)Pt負(fù)載降低到0.025 mgPt/cm2時(shí)，在HSAC載體上陰極配置為40 wt % Pt, I/C比為0.35的電解池產(chǎn)生了最高的氫傳質(zhì)系數(shù)。因此，這種特殊的結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是超低鉑負(fù)載水平下低氫交叉陰極的最佳選擇。

Cathode Catalyst Layer Design in PEM Water Electrolysis toward Reduced Pt Loading and Hydrogen Crossover | ACS Applied Materials & Interfaces

https://doi.org/10.1021/acsami.4c01827