通过合理设计催化剂层的结构，探索其网络结构与催化剂层性能之间的内在关系，对质子交换膜(PEM)电解槽具有重要意义。本研究揭示了聚合物分散演化对析氧反应(OER)性能和电池电压损失的相对影响，并与CL网络结构有关。结果表明:随着溶剂与离聚体溶解度参数(δ)差的增大，离聚体和油墨的分散粒径增大，但MeOH-cat (MeOH水溶液中的油墨)的离聚体和油墨粒径最大，稳定性最差，但其OER过电位与分散粒径最小的IPA-cat (249 mV@10 mA cm−2)相当。而在100 mA cm−2时，油墨的过电位随着粒径的增加而增加，这表明电极结构随着电流密度的增加而变得更有影响力。定量分析了电解槽的电压损失，确定了MeOH-cat的CL具有最低的动力学过电位。但由于CL的网络结构不充分，其性能最差，在1.5 A cm−2时输出为1.96 V。相比之下，来自IPA-cat的CL具有最高的动力学过电位，但由于其均匀的网络结构和最佳的质量输运，在2 A cm−2时可以达到1.76 V的最大性能。此外，随着电流密度的增加，性能变化变得更加明显。因此，本研究强调了CL结构对电解槽性能的重要影响。为了提高PEM水电解技术的性能，特别是在大工作电流密度下，提高CL的网络结构是至关重要的。
不同溶解度参数和介电常数下(a)离聚体分散体和(b)催化剂油墨的平均粒径三维图。
25℃下IPA-aq、NPA-aq、EtOH-aq和MeOH-aq催化剂油墨的OER性能(a) LSV极化曲线，(b) Tafel图。(c)电流密度为10 mA·cm−2时的Nyquist图，(d) 5k CV循环前后电流密度为10 mA·cm−2时的过电位。
IPA-aq、NPA-aq、EtOH-aq和MeOH-aq衍生的离子和催化剂油墨的组成结构分析。(a)离子分散体的Zeta电位，(b)催化剂油墨的FTIR光谱，(c)催化剂油墨的Ir 4f XPS光谱。
(a)不同混合溶剂制备的CLs在1,1.5,2 A cm2下的极化曲线和(b)电势，(c)不同混合溶剂制备的CLs在1.5 A cm - 2下的Nyquist图，(d)溶液溶解度参数对离子单体分散粒径、CLs次级孔体积和传质阻力的影响。
(a)不同混合溶液制备的CLs的孔径分布和(b)总体积变化。CLs的HR-SEM图像和AFM截面图:(c, c′)IPA-CL， (d, d′)NPA-CL， (e, e′)EtOH-CL， (f, f′)MeOH-CL。(离聚体用蓝色标记，铂/碳用黄色标记)。
(a) OER的动力学过电位(b)不同异构体分散体的PEM水电解槽的有效质子输运。
各种电压损失对电解槽总电压的贡献。(a) IPA-CL， (b) NPA-CL， (c) EtOH-CL， (d) MeOH-CL。
本研究考察了离子单体的分散演化与催化剂油墨OER性能、CLs网络结构和电池性能的关系。混合溶剂与离子主链的ẟ差越大，离子分散体和催化剂油墨的平均粒径越大。虽然，MeOH-cat表现出最大的离聚体和油墨分散尺寸，导致稳定性差，但它表现出与IPA-cat相当的优秀OER过电位(250 mV@10 mA cm−2)。这是因为较高的MeOH-cat ε有利于离聚体中SO3-基团的离解，增强了质子的输运，组成结构分析进一步证实了MeOH-cat对磺酸基的离解增加。然而，在100 mA cm−2时，油墨的过电位随着颗粒尺寸的增大而增加，这表明电极结构随着电流密度的增加起着更重要的作用。
对电解槽性能和电池结构的研究表明，电池性能随着离聚体尺寸和墨水尺寸的增加而下降。这是由于较小尺寸的离聚体和油墨导致CL网络结构更均匀和出色的传质。因此，IPA-CL表现出优异的电解性能和良好的网络结构，在2 A cm−2时达到1.76 V的性能。电压损失的定量分析表明，MeOH-CL表现出最低的动力学过电位，但电解槽的整体性能最差。另一方面，IPA-aq CL的动力学过电位最高，但电解槽性能最好。，随着工作电流密度的增大，性能变化更加明显。这进一步表明，随着工作电流密度的增加，CL的网络结构对电解槽的性能有显著影响。因此，在高工作电流密度PEM电解技术中，提高CL网络拓扑结构是提高电解槽性能的关键。
Evolution of the network structure and voltage loss of anode electrode with the polymeric dispersion in PEM water electrolyzer - ScienceDirect
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2024.06.144
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