本研究《Journal of Power Sources 606 (2024) 234543》由以下研究人员完成：Tianchao Kuang、Jian Huang、Jun Li、Penglin Yang、Liang Zhang、Dingding Ye、Xun Zhu、Qiang Liao，主要隶属于重庆大学低品位能源利用技术与系统教育部重点实验室，工程热物理研究所，能源与动力工程学院。文章发表于国际权威期刊《Journal of Power Sources》，在线发表时间为2024年4月25日。本文以提高质子交换膜水电解器（Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer，简称PEMWE）的性能为主要研究方向，重点探讨氧化铱（IrO2）催化剂墨水分散方法对其性能的影响。

研究背景

质子交换膜水电解器（PEMWE）是一种公认的用于绿色氢气生产的碳中和技术，能够利用可再生能源（如太阳能和风能）生成氢气。然而，该技术的广泛应用受到性能低下和成本高昂的制约。PEMWE的性能主要受阳极催化剂层（Catalyst Layer，以下简称CL）的微观结构影响，而CL的质量又取决于催化剂墨水的质量。

氧化铱（Iridium Oxide，简称IrO2）是PEMWE中最常用的触发氧析出反应（Oxygen Evolution Reaction）的催化剂。然而，传统的超声波法虽然能够快速制备催化剂墨水，但容易引发墨水不稳定、催化剂团聚以及沉降等问题。因此，本研究聚焦于优化催化剂墨水的制备工艺，探讨不同分散方法及条件对氧化铱催化剂墨水稳定性、催化剂层微观结构及膜电极组件（Membrane Electrode Assembly, MEA）性能的影响，最终目标为提高PEMWE的性能。

研究流程

本文设计了一系列实验，研究不同分散方法、分散时间及离聚物（Ionomer）加入顺序对催化剂性能的影响。以下为研究的主要环节和实施细节：

1. 催化剂墨水制备

氧化铱（IrO2）和铂碳（Pt/C）分别用作阳极与阴极电催化剂。墨水由催化剂、Nafion溶液（5%）、去离子水（DI Water）和1-丙醇（1-Propanol）混合制备。实验使用了以下分散方法： - 球磨法（Ball Milling）： 使用锆珠和行星式球磨机，在不同的球磨时间（0.5小时至24小时）内进行分散。 - 超声波法（Ultrasonic Treatment）： 用超声波设备处理墨水0.3小时作为对比样本。 - 离聚物加入顺序测试： 在某些实验中，先将IrO2与离聚物混合后再进行12小时球磨，观察分散顺序对结果的影响。

2. 墨水稳定性及催化剂团聚尺寸表征

通过紫外-可见分光光度计检测墨水样本在稳定过程中的吸光度变化评估稳定性，并通过透射电子显微镜（TEM）观察催化剂团聚尺寸及其分布。

3. 电极涂覆与CL微观结构表征

将制备的催化剂墨水喷涂于Nafion 115膜，并利用扫描电子显微镜（SEM）测定CL的厚度及其催化剂、离聚物及孔隙体积分数。同时利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）与热重分析（TGA）对离聚物的理化性质变化进行分析。

4. 电化学性能测试

通过商业化电解槽测试MEA性能，包括极化曲线、循环伏安图（CV）计算电化学活性表面积（ECSA）、以及电化学阻抗谱（EIS）分析MEA的高频电阻、质子传导阻抗及质量传输阻抗。

研究结果详述

1. 墨水稳定性

球磨法显著提高了催化剂墨水的稳定性。随着球磨时间增加，墨水的吸光度变化率从2.2 % h-1降低至0.6 % h-1。然而，超过12小时的球磨会导致吸光度变化率升高至0.8 % h-1，表明球磨时间过长会损害墨水稳定性。此外，与超声波法相比，球磨法能显著减小催化剂团聚尺寸并提高墨水均匀性，而先添加离聚物再球磨（BBM-12）的墨水表现出最低的稳定性，这与离聚物结构的破坏有关。

2. CL微观结构

球磨时间的增加带来了催化剂CL厚度的显著变化，从10.4 μm增加到16.4 μm。同时，CL的IrO2和离聚物体积分数下降，而孔隙体积分数增加。这种结构变化与催化剂团聚尺寸密切相关：较大的催化剂团聚因毛细力作用形成更紧凑的骨架结构，而较小的团聚尺寸导致更松散的微观结构。此外，超声波分散的CL厚度较薄，但孔隙体积分数较低，导致质量传输路径较短但活性位点减少。

3. 离聚物理化性质影响

FTIR和TGA分析表明，球磨时间越长，离聚物的磺酸基（–SO3H）逐渐被羧酸基（–COOH）取代，导致墨水的稳定性和质子传导性显著下降。这一过程由于球磨所产生的高能机械作用而加剧。

4. MEA的电化学性能

最佳性能出现在球磨12小时（BM-12）的情况下，其在1.7 V下的电流密度达到1.70 A cm-2，比超声方法制备的样本（US-0.3）的性能提高了约11%。与BM-12相比，球磨时间过长（BM-24）或不当加入离聚物（BBM-12）会显著增加MEA的激活损失、欧姆损失及质量传输损失。

研究结论

本文通过系统研究揭示了催化剂墨水分散方法对PEMWE性能的显著影响，提出了最佳的墨水制备策略：通过12小时球磨处理催化剂后再混合离聚物，可制备性能优异且稳定的MEA。这一方法在提升CL微观结构均匀性、扩大ECSA、优化孔隙率和减少阻抗等方面具有显著效果。本研究为实现PEMWE的大规模生产与性能提升提供了重要指导。

研究亮点

1. 球磨法提供了一种更加高效的催化剂分散手段，能显著提升IrO2墨水的稳定性与催化性能。
2. 提出了关于离聚物加入顺序的重要性，为墨水制备过程的优化提出了新的理论依据。
3. 实验兼顾了多种表征手段，并涵盖了从物理、化学到电化学性能的全方位分析，结果可靠性强。

应用价值

本文研究结果不仅拓展了对PEMWE中特殊催化剂分散方法的认知，还为质子交换膜电解器在大规模绿色制氢应用中的推广提供了一种低成本、高性能的技术路径。