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廈門大學鄭南峰/陶華冰團隊，最新AM！

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廈門大學鄭南峰/陶華冰團隊，最新AM！
第一作者：Han Liu
通訊作者：鄭南峰，陶華冰
通訊單位：廈門大學
論文速覽
本研究針對質子交換膜水電解（PEMWE）技術中存在的高成本、效率不足和壽命短的問題，識別了由陰極催化劑層（ACL）中離聚物的動態變化引起的PEMWE的一個重要退化機制，這是一種純機械的微觀結構退化。
研究發現，與傳統理解相反，ACL的微觀結構并非靜態，而是由于局部膨脹/蠕變/遷移，微孔傾向于被離聚物占據，特別是在ACL/PTL（多孔傳輸層）界面附近，它們形成反應物/產物對的傳輸通道。因此，ACL在PTL/ACL界面增加離聚物會表現出快速且持續的退化。
此外，研究還發現ACL的微觀結構與催化劑墨水之間存在密切的相關性。通過調整催化劑墨水的微觀行為，成功優化了ACL中的離聚物分布，減少了ACL/PTL界面的離聚物并豐富了ACL/PEM界面的離聚物，當在2.0 A/cm2和80℃下操作時，將衰減率降低了三倍。這些發現為實現低成本制氫提供了一種通用方法。
圖文導讀
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圖1：兩種設計的ACL在700小時耐久性測試中的電化學性能對比
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圖2：通過調整催化劑墨水的微觀行為來一步制備GID-ACL的過程，以及催化劑墨水中離聚物和催化劑的分布情況。
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圖3：AFM在空氣中對ACL內部的離聚物布進行了表征，顯示了GID-ACL和Norm-ACL的離聚物沿截面的梯度分布。
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圖4：對比了GID-ACL和Norm-ACL的降解行為，GID-ACL在耐久性測試中顯示出更低的降解率和過電位。
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圖5：LP-AFM對老化后的GID-ACL和Norm-ACL進行了詳細的結構表征，揭示了兩種ACL結構的退化機制。
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圖6：在1.0 kW PEM堆中使用GID-ACL的PEMWE性能和耐久性測試結果。
總結展望
本研究的亮點在于通過優化催化劑墨水的微觀行為，成功制備了具有梯度離聚物分布的ACL結構，顯著提高了PEMWE的穩定性和耐久性。實驗數據表明，在2.0 A/cm2和80℃的條件下，優化后的GID-ACL結構相較于傳統結構，耐久性提高了三倍。
這一發現為設計更高效、更穩定的PEMWE催化劑層提供了新的策略，并有助于推動PEMWE技術在能源應用中的商業化進程。未來的研究可以進一步探索具有更高機械穩定性的ACL結構，以實現更長壽命的PEMWE系統。
文獻信息
標題：Optimizing Ionomer Distribution in Anode Catalyst Layer for Stable Proton Exchange Membrane Water Electrolysis
期刊：Advanced Materials
DOI：10.1002/adma.20240278

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