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轉印催化層制備：催化劑漿料的表面張力多少合適
來(lái)源：上海清能合睿茲新能源科技有限公司 瀏覽 131 次 發(fā)布時(shí)間:2024-06-20
目前DTM制備催化層的最大問(wèn)題是由于轉印介質(zhì)的自身特性，在往轉印膜涂覆催化層的過(guò)程中容易出現漿料流延，產(chǎn)生毛邊等問(wèn)題，造成了催化劑的浪費；另一方面，熱壓轉印過(guò)程中由于轉印膜和催化層、質(zhì)子交換膜與催化層之間結合力的區分度不夠大，導致在轉印過(guò)程中轉印膜需慢慢撕下，效率過(guò)低。部分催化層被轉印膜帶走，在造成三相反應界面減少的同時(shí)，催化層表面的平整度被破壞，出現坑洼等缺陷。這些情形難以保障催化層轉印的效率和轉印后催化層完整度，造成了催化層在轉印過(guò)程中的損失和催化層缺陷，影響催化層生產(chǎn)的經(jīng)濟性和燃料電池的性能。
經(jīng)過(guò)處理劑處理+存在粘結層的催化劑涂覆膜
1、催化劑漿料的配制：按照催化劑的載量和狹縫涂布設備的參數要求，配制好催化劑漿料，并使用分散設備合理分散，得到流變性能合適的催化劑漿料。
其中，陽(yáng)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(yáng)極催化劑漿料進(jìn)行充分的分散，分散時(shí)間為8 h、轉速為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(yáng)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(shí)間為8 h、轉速為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、轉印膜上陽(yáng)極催化層的制備：在轉印膜1上放置不銹鋼限域邊框2，轉印膜1的厚度為100μm，限域邊框2厚度為20μm，尺寸為250 mm×150 mm長(cháng)方形。
利用噴筆在轉印膜上預鋪設一層正丙醇（預鋪設量為0.6 mg/cm2）；利用狹縫涂布方式在轉印膜1上涂覆陽(yáng)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(yáng)極催化層31，如圖，厚度為20μm，鉑的載量為0.2 mg/cm2。
3、轉印膜上陰極催化層的制備：在另一轉印膜上放置不銹鋼限域邊框，轉印膜的厚度為100μm，限域邊框厚度為20μm。
利用噴筆在轉印膜上預鋪設一層正丙醇（預鋪設量為0.6 mg/cm2）；利用狹縫涂布方式在轉印膜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5兩側表面分別預鋪設一層離子聚合物Nafion D520，厚度為2μm，預鋪設的區域分別與陽(yáng)極催化層31和陰極催化層覆蓋區域匹配，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?。菏褂棉D印機，將陽(yáng)極催化層31和陰極催化層轉印至質(zhì)子交換膜5上，得到催化劑涂覆膜；熱壓轉印的溫度為150℃，時(shí)間為3 min，壓強為300 kPa。
由于陽(yáng)極催化層31與質(zhì)子交換膜5之間的結合力大于陽(yáng)極催化層31與轉印膜1之間的結合力，此時(shí)的轉印膜1很容易與催化層分離，方便撕離，陽(yáng)極催化層31的轉印效率得以提高。
總結：
（1）通過(guò)選用合適的處理劑對轉印膜進(jìn)行處理，利用處理劑的表面張力與轉印膜表面張力的存在差異，干燥過(guò)程中可以減少催化層變形、開(kāi)裂現象的出現，從而提高催化層轉印的效率，保證催化層轉印的完整度，最小程度降低催化層轉印過(guò)程的損失和表面缺陷的出現；同時(shí)，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(shí)不易流延；
（2）通過(guò)設置限域邊框，利用限域邊框的物理限域作用，有效減少催化劑漿料在轉印膜上的流延、流失，操作簡(jiǎn)單，限域邊框可重復使用，具有更強的適用性；
（3）在質(zhì)子交換膜上施加合適的粘結劑，不僅可增加催化層和質(zhì)子交換膜之間的結合強度，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(gè)電池的歐姆阻抗，提升燃料電池的效率，還可避免由于長(cháng)時(shí)間運行導致的催化層從質(zhì)子交換膜表面脫落的問(wèn)題；
（4）將處理劑和粘結劑結合使用，使催化層與質(zhì)子交換膜之間的結合力大于催化層與轉印膜之間的結合力，從而提高燃料電池催化層的轉印效率與保證催化層轉印的完整度。