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轉(zhuǎn)印催化層制備：催化劑漿料的表面張力多少合適
來源：上海清能合睿茲新能源科技有限公司 瀏覽 418 次 發(fā)布時間:2024-06-20
目前DTM制備催化層的最大問題是由于轉(zhuǎn)印介質(zhì)的自身特性，在往轉(zhuǎn)印膜涂覆催化層的過程中容易出現(xiàn)漿料流延，產(chǎn)生毛邊等問題，造成了催化劑的浪費；另一方面，熱壓轉(zhuǎn)印過程中由于轉(zhuǎn)印膜和催化層、質(zhì)子交換膜與催化層之間結(jié)合力的區(qū)分度不夠大，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)印過程中轉(zhuǎn)印膜需慢慢撕下，效率過低。部分催化層被轉(zhuǎn)印膜帶走，在造成三相反應(yīng)界面減少的同時，催化層表面的平整度被破壞，出現(xiàn)坑洼等缺陷。這些情形難以保障催化層轉(zhuǎn)印的效率和轉(zhuǎn)印后催化層完整度，造成了催化層在轉(zhuǎn)印過程中的損失和催化層缺陷，影響催化層生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性和燃料電池的性能。
經(jīng)過處理劑處理+存在粘結(jié)層的催化劑涂覆膜
1、催化劑漿料的配制：按照催化劑的載量和狹縫涂布設(shè)備的參數(shù)要求，配制好催化劑漿料，并使用分散設(shè)備合理分散，得到流變性能合適的催化劑漿料。
其中，陽極催化劑漿料的配制步驟為：使用質(zhì)量比1:1的異丙醇和水作為溶劑，加入適量鉑碳催化劑（Pt/C，鉑占催化劑質(zhì)量的百分比為40%）和Nafion D2020溶液，保持Nafion溶液中離子聚合物的干重與鉑碳催化劑中碳的質(zhì)量比(I/C)為0.9。使用高剪切分散乳化機對陽極催化劑漿料進(jìn)行充分的分散，分散時間為8 h、轉(zhuǎn)速為16000 rpm、采用冷卻循環(huán)水控制溫度小于50℃、固含量8%，制得的陽極催化劑漿料的表面張力為21.7 mN/m。
其中，陰極催化劑漿料的配制步驟為：使用質(zhì)量比1:1的異丙醇和水作為溶劑，加入適量鉑碳催化劑（Pt/C，鉑占催化劑質(zhì)量的百分比為40%）和Nafion D2020溶液，保持Nafion溶液中離子聚合物的干重與鉑碳催化劑中碳的質(zhì)量比(I/C)為1.0。使用高剪切分散乳化機對陰極催化劑漿料進(jìn)行充分的分散，分散時間為8 h、轉(zhuǎn)速為16000 rpm、采用冷卻循環(huán)水控制溫度小于50℃、固含量10%，制得的陰極催化劑漿料的表面張力為20.4 mN/m。
2、轉(zhuǎn)印膜上陽極催化層的制備：在轉(zhuǎn)印膜1上放置不銹鋼限域邊框2，轉(zhuǎn)印膜1的厚度為100μm，限域邊框2厚度為20μm，尺寸為250 mm×150 mm長方形。
利用噴筆在轉(zhuǎn)印膜上預(yù)鋪設(shè)一層正丙醇（預(yù)鋪設(shè)量為0.6 mg/cm2）；利用狹縫涂布方式在轉(zhuǎn)印膜1上涂覆陽極催化劑漿料，由于正丙醇的表面張力和限域邊框的共同作用，催化劑漿料不易外流漫延。
經(jīng)涂布平臺70℃加熱干燥20秒，制得陽極催化層31，如圖，厚度為20μm，鉑的載量為0.2 mg/cm2。
3、轉(zhuǎn)印膜上陰極催化層的制備：在另一轉(zhuǎn)印膜上放置不銹鋼限域邊框，轉(zhuǎn)印膜的厚度為100μm，限域邊框厚度為20μm。
利用噴筆在轉(zhuǎn)印膜上預(yù)鋪設(shè)一層正丙醇（預(yù)鋪設(shè)量為0.6 mg/cm2）；利用狹縫涂布方式在轉(zhuǎn)印膜1上涂覆陰極催化劑漿料，由于正丙醇的表面張力和限域邊框的共同作用，催化劑漿料不易外流漫延。
經(jīng)涂布平臺70℃加熱干燥20秒，制得陰極催化層，厚度為20μm，鉑的載量為0.35mg/cm2。
4、含有粘結(jié)劑的質(zhì)子交換膜的制備：使用噴筆在質(zhì)子交換膜5兩側(cè)表面分別預(yù)鋪設(shè)一層離子聚合物Nafion D520，厚度為2μm，預(yù)鋪設(shè)的區(qū)域分別與陽極催化層31和陰極催化層覆蓋區(qū)域匹配，質(zhì)子交換膜的厚度為15μm。質(zhì)子交換膜的材質(zhì)為Gore Select®M820。
5、熱壓轉(zhuǎn)?。菏褂棉D(zhuǎn)印機，將陽極催化層31和陰極催化層轉(zhuǎn)印至質(zhì)子交換膜5上，得到催化劑涂覆膜；熱壓轉(zhuǎn)印的溫度為150℃，時間為3 min，壓強為300 kPa。
由于陽極催化層31與質(zhì)子交換膜5之間的結(jié)合力大于陽極催化層31與轉(zhuǎn)印膜1之間的結(jié)合力，此時的轉(zhuǎn)印膜1很容易與催化層分離，方便撕離，陽極催化層31的轉(zhuǎn)印效率得以提高。
總結(jié)：
（1）通過選用合適的處理劑對轉(zhuǎn)印膜進(jìn)行處理，利用處理劑的表面張力與轉(zhuǎn)印膜表面張力的存在差異，干燥過程中可以減少催化層變形、開裂現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而提高催化層轉(zhuǎn)印的效率，保證催化層轉(zhuǎn)印的完整度，最小程度降低催化層轉(zhuǎn)印過程的損失和表面缺陷的出現(xiàn)；同時，由于催化劑漿料的表面張力小于處理劑的表面張力，有助于催化劑漿料涂覆時不易流延；
（2）通過設(shè)置限域邊框，利用限域邊框的物理限域作用，有效減少催化劑漿料在轉(zhuǎn)印膜上的流延、流失，操作簡單，限域邊框可重復(fù)使用，具有更強的適用性；
（3）在質(zhì)子交換膜上施加合適的粘結(jié)劑，不僅可增加催化層和質(zhì)子交換膜之間的結(jié)合強度，還可建立起催化層和質(zhì)子交換膜之間的離子傳輸通道，有利于降低質(zhì)子傳輸阻抗，減小整個電池的歐姆阻抗，提升燃料電池的效率，還可避免由于長時間運行導(dǎo)致的催化層從質(zhì)子交換膜表面脫落的問題；
（4）將處理劑和粘結(jié)劑結(jié)合使用，使催化層與質(zhì)子交換膜之間的結(jié)合力大于催化層與轉(zhuǎn)印膜之間的結(jié)合力，從而提高燃料電池催化層的轉(zhuǎn)印效率與保證催化層轉(zhuǎn)印的完整度。