イオンマー自己集合における溶媒効果：分子形態から触媒層性能まで

科学分野:

• 電気化学; 材料科学; 化学工学

背景:

• 触媒結合イオンマー層（CBIL）は、プロトン交換膜燃料電池（PEMFC）の性能にとって重要です。; CBIL内のイオンマーは、複雑な溶媒和挙動と相分離構造を示します。; CBILアーキテクチャに対する溶媒効果の理解は、電極特性の最適化の鍵となります。

研究 の 目的:

• 溶媒組成と極性がイオンマーの溶媒和とCBIL内の相分離にどのように影響するかを解明すること。; これらの変化がCBILアーキテクチャ、スラリー特性、および電極性能に及ぼす影響を調査すること。; CBIL特性とプロトン交換膜燃料電池の分極性能との相関を明らかにすること。

主な方法:

• さまざまな溶媒条件下でのイオンマー溶媒和直径と相分離構造の分析。; 触媒凝集体上のCBILアーキテクチャとスラリーネットワークの不均一性の特性評価。; コーティングの細孔分布と電極の分極性能の測定。; 表面特性と凝集体間の相互作用を評価するためのゼータ電位測定。

主要な成果:

• 水リッチ溶媒はイオンマー形態の崩壊、排除体積の減少、および-SO3H基の伸長を制限します。; 非常に負のゼータ電位（<-70 mV）を持つより密なCBIL構造が観察され、凝集体間のネットワーク強度が低下しました。; 主鎖の崩壊と側鎖の巻き込みにより、表面硫黄含有量が減少し、白金被毒が軽減されました。; CBILのゼータ電位の上昇は、凝集体間の反発を強化し、過剰な凝集を抑制し、分極性能を向上させました。

結論:

• 溶媒組成は、イオンマーの溶媒和と相分離を制御することにより、CBILのアーキテクチャと特性を決定的に調節します。; 溶媒選択によって駆動される最適化されたCBIL構造は、PEMFC電極の分極性能を大幅に向上させます。; この発見は、調整されたイオンマー層設計を通じて、白金被毒を軽減し、燃料電池の耐久性を向上させる道を提供します。