Nature Catalysis: слой катализатора топливных элементов, 3D Nano Imaging!

Слой катализатора в топливном элементе с протонообменной мембраной состоит из нанокатализаторов из металлов платиновой группы, нанесенных на углеродные агрегаты, образуя пористую структуру, проникая через эту пористую структурную ионно-полимерную сеть. Локальные структурные особенности этих гетерогенных сборок напрямую связаны с сопротивлением модели массового транспорта и последующей потерей производительности батареи. Таким образом, слой катализатораТрехмерная визуализацияИмеет большое исследовательское значение.

Ввиду этого,Лозаннский политехнический институтВасилики ТилелеИ др.Реализуется восстановление низкотемпературной пропускающей электронной томографии с помощью глубокого обучения и локально-Реакция-Полная морфология различных слоев катализатора была количественно изучена в полевых масштабах, Этот анализ позволяет рассчитать такие показатели, как морфология иономерных тел, степень покрытия и однородность, положение платины на углеродном носителе и доступность платины для иомерной сети, и непосредственно сравнить и проверить результаты с экспериментальными измерениями. Авторы ожидают, что способы и средства оценки структуры слоя катализатора, о которых сообщается в этой работе, помогут Контакты топографию с характеристиками передачи и общими характеристиками топливного элемента.

(1) Низкотемпературная электронная хроматография агрегатов каталитического слоя

Авторы объединили электронную визуализацию органических образцов с электронной томографией, в которой серия проекционных изображений была получена путем увеличения угла наклона образца и использовалась для расчета трехмерной реконструкции образца. Автор показывает, что показаноРеконструкция полимеризации каталитического слоя из ионного мономера Nafion, подложки LSC и наночастиц платины и результаты процесса удаления шума показывают, что этот рабочий процесс выполняется лучше, чем другие способы. Авторы доказали, что обработанная реконструкция можетПредоставление качественной и количественной информации,

РисунокРабочие процессы и анализ Cryo-ET в Nafion-LSC-платиновых агрегатах

(2) Структура слоя катализатора

Чтобы получить представление о морфологии типичного катода топливного элемента с протонообменной мембраной, авторы изучили слой катализатора, в котором19,8 мас. % платины поддерживают углеродистые отложения на высокой поверхности. Авторы проанализировали структурные характеристики, такие как углеродная структура, пористая структура и морфология ионной сети самого внешнего слоя каталитического слоя, и доказали, что анализ, выполненный в электронной томографии, можно считать репрезентативным.

РисунокКриогенная реконструкция ET и анализ ионогенной сети слоев 3M иономерного-HSC-платинового катализатора для микрорезки

(3) Анализ топографии платины в слое катализатора

Авторы дополнительно изучили морфологию и взаимодействие платиновых наночастиц с углеродными носителями и иономерными сетями, используя восстановленный объем. Значительная частьБыло обнаружено, что (46%) наночастицы присутствуют в нанопорах первичных углеродных частиц со средним диаметром внутренних и внешних частиц 2, 7 и 3, 0 нм соответственно, в то время как распределение внешних частиц немного шире, вероятно, из-за внутренней пористости углеродных носителей во время синтеза, которая ограничивает рост частиц. Сосредоточив внимание на внешних платиновых частицах и их связности с ионными сетями, площадь поверхности, рассчитанная из томографии, затем сравнивалась с измерениями объема. Результаты показали, что при высоких уровнях относительной влажности вся платина может быть отделена от СО.

РисунокМикро-резкаАнализ топографии, связанной с платиной, в слое иономерного-HSC-платинового катализатора 3M

Ссылки:

Жирод, Р., Лазаридис, Т., Гастейгер, Х. А. и др. Трехмерная нановизуализация слоев катализатора топливных элементов. Нат Катал (2023).https://doi.org/10.1038/s41929-023-00947-y