质子交换膜燃料电池的催化剂浆料分析 X射线衍射 (XRD)、激光衍射和动态光散射技术

　　【仪器设备网  专题推荐】粒度是质子交换膜燃料电池催化剂浆料的关键性指标，但浆料由不同尺度的颗粒混合物组成，要准确测量浆料的粒度有一定的难度，目前还没有一种技术可以全面表征所有颗粒的粒度。

　　X射线衍射(XRD)、激光衍射 (LD) 和动态光散射 (DLS) 是三种常用的材料表征技术，用于表征不同尺度的颗粒，马尔文帕纳科结合三种技术能够全面表征催化剂浆料中的颗粒特性。

　　通过X射线衍射技术发现，浆料和阴极催化剂涂覆膜中的晶粒尺寸比催化剂粉末大。这种颗粒粗化现象通常是由于浆料在分散过程中过热引起的。激光衍射法检测到在20 nm附近有大量初级颗粒，说明催化剂浆料出现了过度分散的现象。

　　联合使用激光衍射、X射线衍射和动态光散射技术，可以从不同尺度表征催化剂浆料，优化和监测催化浆料配方和稳定性。使用 Mastersizer 3000 激光粒度仪测量催化剂浆料的粒度分布，可评估临界颗粒分散的有效性。使用 Zetasizer 纳米粒度及Zeta电位仪进行 Zeta 电位测量，可研究聚合物电解质和碳载催化剂的相互作用，预测浆料稳定性。使用 Aeris 台式 X 射线衍射仪，可以测量纳米催化剂的晶粒尺寸，验证防止纳米颗粒粗化的方法的有效性。

　　催化剂浆料的颗粒粒度和分散性能会影响浆料粘度、聚合物电解质的分布和形态、催化剂的利用率、催化剂和聚合物电解质的相互作用以及催化层的均匀性和连续性等重要参数，zui终影响膜电极的电化学性能。

　　解决方案之一：

　　—— X 射线衍射技术

　　X 射线衍射 (XRD) 通常用于确定小于 100 nm 的纳米晶粒尺寸。快速测量单个衍射峰(1～3 分钟)，足以利用峰宽的 Scherrer 分析来计算晶粒尺寸。另外，如果测量多个衍射峰(20 分钟以上)，则可采用全谱拟合技术，更精确地计算晶粒尺寸和点阵参数。

　　图3 碳载催化剂粉末的 XRD 数据。每种粉末铂担载量为40%，分散在不同的碳载体上：Vulcan XC72(蓝色)、Vulcan XC72R(棕色)和 EC-300J(绿色)。蓝线表示已公开发表的的 Pt 衍射峰的位置。

　　图 3 显示了使用 Aeris 台式 X 射线衍射仪收集的 X 射线衍射数据，样品是分散在三种不同碳载体颗粒上的催化 Pt 粉末。

　　Aeris 高性能 X 射线衍射仪，在台式XRD上可以实现落地式大型设备才能得到的高级测试数据。具有马尔文帕纳科XRD家族独有的Pre-FIX预校准光路设计。

　　2021年新增对多晶薄膜和图层进行掠入射衍射分析(GI-XRD)，以及对高分子、药物等轻吸收样品进行透射衍射分析(transmission XRD)等功能附件。

　　解决方案之二：

　　—— 激光衍射技术

　　激光衍射技术 (LD)是测量颗粒粒度分布的常用分析方法，粒度范围从十几纳米到几个毫米。动态范围宽，非常适合分析催化剂浆料的粒度分布。激光衍射法操作简便，测试速度快，通常不到1分钟，也非常适合生产过程控制。此外，激光衍射技术还可以研究工艺条件变化对浆料粒度分布的影响。

　　图 5 Mastersizer 3000 激光粒度仪催化剂浆料粒度分布测试结果，样品是由铂担载量40%的Vulcan XC72碳载催化剂和 Nafion 聚合物电解质配制的浆料。

　　Mastersizer 3000超高速智能激光粒度仪，粒度测量范围为0.01μm-3500μm，具有极高的重复性和稳定性，实时测量速度高达10000次每秒。

　　解决方案之三：

　　—— 动态光散射技术

　　与激光衍射法相比，动态光散射 (DLS) 更适合于测量纳米级颗粒的平均粒度，范围从1 nm 至 1 µm。

　　将催化剂浆料以 1:10 比例分散在异丙醇(IPA)中，用Zetasizer Ultra纳米粒度仪测量催化浆料的平均粒度。稀释后的浆料仍然是高度不透明的，采用非侵入背散射 (NIBS)技术进行测量，重复测量5次。如图 7 所示，尽管浆料不透明，5次测量的相关曲线的一致性很好。

　　Zetasizer Advance 系列纳米粒度电位仪是在Zetasizer Nano 系列纳米粒度及Zeta电位仪成功的基础上，马尔文帕纳科推出的更加专业灵活的全新光散射产品。测量范围从0.3nm-15μm。具有动态光散射(DLS);电泳光散射(ELS);混合模式-相位分析光散射(M3-PALS)和恒流模式，减少高离子浓度下电极极化引起的误差;“自适应相关”算法;ZS Xplorer 智能软件;数据质量指导系统等技术特点。