Advanced Materials:PF-QNM技术揭示质子交换膜电解水阳极催化剂层（ACL）退化机制

质子交换膜水电解（PEMWE）装置中阳极催化剂层（ACL）是由随机分布的离聚物和催化剂组成。为了研究离聚物分布对 PEMWE 性能和耐用性的影响，作者采用多涂层方法制备了两种具有不同离聚物分布的 ACL，离聚物梯度分布的催化剂层GID-ACL（在 PTL/ACL 界面5%离聚物，在 PEM/ACL 界面20%离聚物）以及离聚物反梯度分布的催化剂层IGID-ACL（PTL/ACL 和 PEM/ACL 界面上分别使用了20%离聚物和5%离聚物），如图 1 所示。作者利用布鲁克原子力显微镜专利技术PF-QNM对样品的形貌与粘附力同步测试，利用催化剂与离聚物粘附力的不同来区分二者，如图1所示，粘附力通道中亮的区域说明对探针粘附力较大，对应于离聚物，暗的区域说明对探针的粘附力较小，对应于催化剂，通过对粘附力成像可定量分析离聚物与催化剂分布。进一步作者在 2.0 A/cm²和 80 ℃下对两种ACL进行了耐久性测试，结果表明，与GID-ACL 相比，IGID-ACL 明显观察到电池电压的快速持续增长，最终电压增长速度是接近 GID-ACL 的三倍。梯度离聚物分布的ACL层在PEM/ACL界面处富集离聚物可促进质子传输，而PTL/ACL界面处可促进电子、气体、水的传输，进而提升PEMWE的性能与稳定性。

多层涂敷实现梯度分布工艺复杂，不易于商业化，作者进一步地研究了催化剂油墨的物性，通过添加不同的溶剂来改变催化剂油墨中颗粒的微观动力学特性，上层富含离聚物而在下层少离聚物的分层的催化剂油墨，可一步涂敷得到梯度分布的ACL。利用粘附力图也可证实上述设计，如图2所示，离聚物在催化剂层横截面中呈梯度分布，在PEM/ACL 界面离聚物较多，而在ACL/PEM界面离聚物较少，而无特殊设计的ACL离聚物分布呈随机分布。

进一步作者对PEMWE性能衰减机制进行分析，所有 ACL 最初都表现出相对较高的衰减率，但随着时间的推移逐渐趋于稳定。为了更好地了解这一过程，作者进行了干/湿高温循环，以研究 ACL中离聚物的迁移。如图3所示，3圈循环后发生了明显的离聚物迁移，而7圈循环后与3圈循环结果类似。ACL的衰减率趋势与 ACL 结构的微观变化相似，在初期阶段更为明显，随着循环次数的增加而逐渐减弱。因此，可认为最初的快速降解是由于离聚物的膨胀、蠕变和迁移造成的，而随着工作时间的延长，由于 ACL结构的稳定，降解逐渐趋于稳定。