Abstrak Grafis
Penelitian ini mengembangkan strategi pembentukan pori in situ untuk membangun lapisan katalis berpori (PCL) yang saling terkait untuk elektrolisis air membran pertukaran proton. PCL menunjukkan area aktif elektrokimia 2,1 kali lebih besar dari lapisan katalis konvensional, mencapai 3,8 A cm −2 @1,9 V (melebihi target Departemen Energi AS 2025) dan stabilitas 1600 jam pada 2 A cm −2 .

Abstrak
Rekayasa struktur lapisan katalis sangat penting untuk meningkatkan kinerja dan ketahanan elektrolisis air membran pertukaran proton (PEMWE), namun strategi desain yang efisien telah dilaporkan. Pekerjaan ini mengembangkan pendekatan pembuatan pori in situ untuk membangun lapisan katalis berpori yang saling terkait, yang secara signifikan meningkatkan pemanfaatan situs aktif katalis dibandingkan dengan lapisan katalis konvensional (CCL). Area aktivitas elektrokimia dari rakitan elektroda membran lapisan katalis berpori (MEA) (52,22 cm 2 mg Ir −1 ) adalah 2,10 kali lebih tinggi daripada CCL-MEA (24,90 cm 2 mg Ir −1 ), yang menunjukkan bahwa lebih banyak situs aktif yang terekspos selama proses pembuatan pori, yang mengarah ke efisiensi pemanfaatan elektrokatalis yang lebih tinggi. Hasilnya, lapisan katalis berpori menunjukkan kerapatan arus tinggi sebesar 3,8 A cm −2 pada 1,9 V, yang melampaui target Departemen Energi AS 2025 (3 A cm −2 @1,9 V), dan menunjukkan daya tahan yang unggul tanpa degradasi yang signifikan setelah 1600 jam pengoperasian pada beban konstan 2 A cm −2 . Analisis mikroskop elektron pemindaian mengonfirmasi integritas struktural lapisan katalis berpori, sementara retakan terbentuk di CCL selama pengujian. Hasil ini menyoroti manfaat struktur berpori dalam meningkatkan transportasi massa, stabilitas, dan kinerja keseluruhan dalam aplikasi PEMWE.

1 Pendahuluan
Hidrogen memainkan peran kunci dalam menciptakan sistem energi hijau, rendah emisi, dan berkelanjutan. [ 1 – 5 ] Di antara metode produksi hidrogen, elektrolisis air membran pertukaran proton (PEMWE) menunjukkan keunggulan dalam respons arus cepat, efisiensi energi tinggi, dan kemurnian gas. [ 6 – 8 ] Meskipun menjanjikan, teknologi PEMWE masih menghadapi tantangan signifikan karena tingginya biaya yang terkait dengan peralatan dan bahan, yang menghambat penerapannya secara luas. [ 9 – 11 ] Secara khusus, MEA menyumbang 36% dari total biaya PEMWE, dengan katalis logam mulia menyumbang 38% dari biaya MEA. [ 4 ] Masalah biaya tinggi ini semakin diperburuk oleh rendahnya efisiensi pemanfaatan iridium dalam lapisan katalis konvensional (CCL). Untuk mencapai produksi hidrogen yang hemat biaya, sangat penting untuk lebih meningkatkan kinerja dan efisiensi biaya PEMWE. [ 12 , 13 ]

Penelitian saat ini terutama difokuskan pada desain dan sintesis terkendali dari elektrokatalis reaksi evolusi oksigen (OER) berkinerja tinggi. [ 14 – 19 ] Ekspresi efisien aktivitas intrinsik elektrokatalis OER dalam MEA kurang mendapat perhatian. MEA yang disiapkan menggunakan metode membran berlapis katalis (CCM) konvensional menunjukkan struktur bertumpuk rapat, sehingga menghasilkan pemanfaatan katalis rendah dan tekanan sel tinggi, yang sangat memengaruhi stabilitas struktural. [ 20 – 22 ] Lebih jauh lagi, porositas rendah dan struktur pori berkelok-kelok dari lapisan katalis anoda (ACL) menghambat pengangkutan air (H 2 O) dan oksigen (O 2 ) yang efektif, sehingga menghasilkan kinerja MEA yang berkurang. [ 23 ]

Mengenali kebutuhan mendesak untuk mengoptimalkan struktur MEA, para peneliti baru-baru ini memberikan lebih banyak perhatian pada desain dan kontrol yang tepat dari struktur ACL untuk memaksimalkan batas reaksi tiga fase serta untuk membangun saluran transpor massa. Misalnya, Zhou et al. [ 24 ] mengusulkan susunan Nafion yang meruncing berdasarkan distribusi gradien, yang memiliki CL yang terikat erat dan antarmuka membran pertukaran proton dan saluran vertikal yang kaya, sehingga dapat meningkatkan kinerja sel secara keseluruhan. Zhang et al. [ 25 ] memperkenalkan strategi ACL hierarkis yang mengoptimalkan struktur pori dan perpindahan massa dengan menyesuaikan konten ionomer dengan lapisan yang berbeda. MEA yang dihasilkan menunjukkan kinerja yang unggul dibandingkan dengan desain tradisional.

Teknologi pembuatan pori dapat meningkatkan luas permukaan spesifik efektif (ECSA) secara signifikan. [ 26 ] Selain itu, struktur pori yang cocok dapat secara efektif meningkatkan penggunaan katalis dan mengurangi resistansi transpor proton dan gas. [ 27 ] Secanell et al. [ 28 ] menunjukkan bahwa agen pembentuk pori memengaruhi kinerja PEMWE secara positif. Zhang et al. [ 29 ] membuat ACL dengan tiga sublapisan dan distribusi ukuran pori bertingkat menggunakan agen pembentuk pori dengan ukuran berbeda, yang meningkatkan jumlah situs aktif dan meningkatkan kinerja PEMWE. Namun, penelitian ini tidak memberikan analisis mendalam tentang peningkatan kinerja maupun penilaian stabilitas jangka panjang.

Dalam studi ini, kami melaporkan strategi pembuatan pori yang dioptimalkan untuk membangun CL dengan jaringan berpori yang saling terkait dan stabil, menggunakan NH4HCO3 sebagai agen pembentuk pori karena mudah dihilangkan selama proses fabrikasi. Kami secara sistematis menyelidiki dampak dari pengenalan struktur berpori ke dalam ACL pada transportasi proton dan gas dalam PEMWE. Temuan kami menunjukkan bagaimana struktur berpori ini mengurangi ketidakseimbangan antara produksi oksigen melalui OER dan penghilangannya di antarmuka antara lapisan transpor berpori (PTL) dan CL. Dengan menggabungkan fitur-fitur inovatif ini, MEA yang dihasilkan dengan CL berpori mencapai kinerja yang luar biasa, menghasilkan kerapatan arus sebesar 2,87 A cm −2 pada 1,8 V.

2 Hasil dan Pembahasan
Untuk memperoleh CL dengan struktur berpori, kami memasukkan NH4HCO3 ke dalam tinta dan membuat MEA mengikuti prosedur yang diuraikan dalam Gambar S1 (Informasi Pendukung). Pengukuran hamburan cahaya dinamis (DLS) mengonfirmasi bahwa penambahan NH4HCO3 tidak berdampak negatif pada distribusi ukuran gugus dalam tinta (Gambar S2, Informasi Pendukung). Karena suhu dekomposisi NH4HCO3 hanya sekitar 60 ° C, kami berspekulasi bahwa selama proses pengepresan panas di bawah 135 °C, partikel NH4HCO3 dalam CL terurai, meninggalkan rongga di lokasi aslinya. Selain itu, gas yang dilepaskan menghasilkan saluran internal dalam CL dan struktur permukaan makropori saat keluar ke permukaan. Karena ionomer memiliki mobilitas tinggi di bawah suhu vitrifikasi, proses pembuatan pori merombak struktur CL daripada menghancurkannya. MEA yang dibuat tidak menunjukkan perbedaan makroskopis yang signifikan (Gambar S3, Informasi Pendukung).

Uji mikroskop elektron pemindaian (SEM) dilakukan pada sampel CCL dan sampel lapisan katalis berpori (PCL) dengan penambahan 30 wt% NH4HCO3 . Pori-pori yang ditembus dapat diamati dengan jelas pada permukaan PCL ( Gambar 1a ) dan ukuran pori umumnya di bawah 0,1 μm (Gambar S4, Informasi Pendukung). Dibandingkan dengan PCL, permukaan CCL relatif datar tanpa pori -pori yang jelas. Analisis penampang PCL pada Gambar 1b mengungkapkan adanya banyak pori-pori dengan diameter rata-rata ≈1 μm yang didistribusikan ke seluruh struktur. Ini konsisten dengan hasil yang diperoleh dari uji intrusi merkuri (Gambar S5, Informasi Pendukung). Dibandingkan dengan CCL, PCL menunjukkan struktur yang lebih berpori. Kami menghubungkan pori-pori dengan diameter 10–100 nm dengan dekomposisi NH4HCO3 , sedangkan pori-pori dengan diameter 200 dan 1000 nm terbentuk di ruang yang ditempati oleh amonium bikarbonat. Pori-pori tersebut membangun jaringan ikatan silang yang menyediakan saluran perpindahan massa yang melimpah untuk PCL-MEA. Ketebalan PCL dalam PCL-MEA adalah 3,59 μm, yang 25,8% lebih tinggi daripada CCL (2,85 μm). Peningkatan ketebalan ini disebabkan oleh peningkatan porositas dalam CL. Distribusi unsur PCL dan CCL (Gambar 1d ,h ) mengungkapkan bahwa penambahan NH4HCO3 membuat distribusi Ir lebih seragam, ini konsisten dengan hasil distribusi ukuran partikel .

Gambar 1
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Karakterisasi struktur CL. a) Gambar SEM struktur mikropori permukaan PCL anoda. b) Gambar penampang melintang SEM PCL anoda. c) Gambar SEM PCL anoda dan d) pemetaan EDS yang sesuai. e) Gambar SEM permukaan CCL anoda dan f) Gambar penampang melintang SEM CCL anoda. g) Gambar SEM PCL anoda dan h) pemetaan EDS yang sesuai.
Untuk mengevaluasi kinerja PCL-MEA, kurva polarisasi steady state PCL-MEA pertama kali dikumpulkan dalam elektroliser 2 × 2 cm 2 . Seperti yang disajikan dalam Gambar 2a , semua PCL-MEA dengan NH 4 HCO 3 menunjukkan peningkatan kinerja daripada CCL-MEA pada rapat arus 2 A cm −2 dan di atasnya, dan kecenderungan variasi kinerja menyajikan kurva vulkano. Kinerja optimal diperoleh dengan aditif 30 wt% NH 4 HCO 3 , yang menunjukkan tegangan sel 1,726 V pada 2 A cm −2 , 25 mV lebih rendah daripada yang diperoleh dengan CCL-MEA (1,751 V). Jika tidak ada penjelasan khusus, sampel PCL-MEA disiapkan dengan penambahan 30 wt% NH 4 CO 3 . Lebih jauh lagi, kerapatan arus sebesar 3,8 A cm − 2 pada 1,9 V melampaui target Departemen Energi AS (DOE) 2025 sebesar 3 A cm − 2 pada 1,9 V. Penambahan 40 wt% agen pembentuk pori menyebabkan ketidakstabilan dalam struktur pori, khususnya selama proses transfer. Pada konsentrasi yang begitu tinggi, porositas yang berlebihan membahayakan integritas mekanis CL, membuatnya rentan terhadap keruntuhan atau deformasi struktural. Degradasi arsitektur pori ini mengurangi efektivitas jalur transpor massa dan aksesibilitas situs aktif, yang pada akhirnya mengakibatkan hilangnya kinerja elektrokimia (Gambar S6, Informasi Pendukung). Kami mengukur ECSA dari kedua elektroda membran menggunakan metode dwi lapis yang dikenal luas seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b . Khususnya, area elektrokimia MEA dengan PCL (52,22 cm 2 mg Ir −1 ) adalah 2,10 kali lebih tinggi daripada CCL-MEA (24,90 cm 2 mg Ir −1 ). Hasil ini menunjukkan bahwa peningkatan porositas meningkatkan efisiensi penggunaan situs aktif di CL. Hasil uji ECSA menunjukkan tren yang sama dengan kurva polarisasi, yang menunjukkan bahwa ECSA adalah faktor utama yang berkontribusi pada peningkatan kinerja (Gambar S7, Informasi Pendukung). Untuk lebih menjelaskan aktivitas yang ditingkatkan PCL-MEA, kami melakukan analisis overpotensial untuk membedakan antara kerugian potensial kinetik, ohmik, dan perpindahan massa, diikuti oleh analisis konvolusi balik dari berbagai kontribusi pada kurva polarisasi (Gambar 2c–e , Gambar S8, Informasi Pendukung). Pada kerapatan arus 3 A cm −2, PCL-MEA menunjukkan overpotensial yang lebih rendah daripada CCL-MEA di ketiga komponen dengan pengurangan paling signifikan yang diamati pada overpotensial kinetik, yang menurun dari 368,35 menjadi 332,78 mV. Selain itu, overpotensial perpindahan massa berkurang dari 52,50 menjadi 37,75 mV dan overpotensial ohmik berkurang dari 264,17 menjadi 257,65 mV. Perbaikan ini dapat dikaitkan dengan jaringan berpori ikatan silang yang dibangun in situ di PCL, yang secara signifikan meningkatkan kinerja MEA melalui berbagai mekanisme. ECSA PCL yang meningkat memainkan peran penting dalam meningkatkan pemanfaatan situs aktif, yang secara langsung berkontribusi pada pengurangan overpotensial kinetik. Selain itu, struktur berpori yang saling berhubungan memfasilitasi transportasi gas dan proton yang efisien dalam CL, sebagaimana dibuktikan oleh berkurangnya perpindahan massa dan overpotensial ohmik. Distribusi pori yang seragam juga mengurangi gradien konsentrasi lokal, memastikan lingkungan reaksi yang stabil bahkan dalam kondisi kepadatan arus tinggi. Efek sinergis dari peningkatan aksesibilitas situs aktif, peningkatan transportasi massa, dan stabilitas struktural menggarisbawahi pengaruh penting jaringan berpori yang saling terkait pada kinerja dan daya tahan MEA secara keseluruhan. Untuk menilai kinerja perpindahan massa dari struktur PCL-MEA, pengukuran spektrum impedansi elektrokimia (EIS) dilakukan untuk PCL-MEA dan CCL-MEA pada laju aliran air yang lebih rendah sebesar 1 mL min −1 . Parameter pemasangan EIS dirangkum dalam Tabel S1 (Informasi Pendukung). Setelah laju aliran menurun, busur yang jelas muncul di wilayah frekuensi rendah CCL-MEA, yang menunjukkan peningkatan resistensi perpindahan massa (Gambar 2f ). Sebaliknya, tidak ada busur yang terlihat di wilayah frekuensi rendah PCL-MEA, yang menunjukkan kemampuan perpindahan massa yang dioptimalkan dari struktur PCL dalam kondisi ekstrem. Aktivitas PCL-MEA ini melampaui sebagian besar MEA yang dilaporkan, sehingga semakin menegaskan kemajuan PCL (Gambar 2g ). [ 14 , 24 , 30 – 38 ]

Gambar 2
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Karakterisasi elektrokimia MEA yang disiapkan dengan berbagai struktur dan kondisi. a) Kurva polarisasi keadaan tunak pada 80 °C untuk MEA yang disiapkan dengan berbagai penambahan NH 4 HCO 3 . b) Perbandingan kapasitansi dwi lapis antara PCL-MEA dan CCL-MEA. c,d) Kontribusi berbagai komponen overpotensial terhadap kurva polarisasi PCL-MEA dan CCL-MEA pada kerapatan arus tertentu. e) Kontribusi overpotensial polarisasi, overpotensial ohmik, dan overpotensial perpindahan massa PCL-MEA dan CCL-MEA pada 3 A cm −2 . f) Spektrum EIS PCL-MEA dan CCL-MEA dalam kondisi pasokan reaktan rendah pada 2 A cm −2 . g) Perbandingan kerapatan arus pada 1,8 V dari karya ini dengan MEA lain yang dilaporkan.
Ketahanan jangka panjang PCL-MEA dan CCL-MEA dievaluasi pada kerapatan arus 2 A cm − 2 dalam kondisi opsi yang sama. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3a , CCL-MEA menunjukkan laju degradasi 9,37 μV h −1 selama lebih dari 1600 jam pengujian pada muatan Ir 0,43 mg cm −2 . Sebaliknya, PCL-MEA dengan muatan Ir yang sama tidak menunjukkan peluruhan yang signifikan tetapi sedikit peningkatan aktivitas MEA diamati saat uji stabilitas berlangsung, yang menyoroti peningkatan stabilitas PCL-MEA dibandingkan dengan CCL-MEA.

Gambar 3
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Analisis ketahanan CCL-MEA dan PCL-MEA. a) Uji stabilitas CCL-MEA dan PCL-MEA pada 2 A cm −2 dan 80 °C dan b) tampilan lokal yang diperbesar. Plot SEM setelah pengujian ketahanan. c) CCL di bawah lapisan difusi dan d) lapisan gambar yang diperbesar. e) PCL di bawah lapisan difusi dan f) gambar yang diperbesar.
Setelah uji stabilitas 1600 jam, MEA dengan PTL yang dihilangkan dikenakan analisis SEM. Hasilnya menunjukkan lekukan permukaan yang lebih jelas pada PCL-MEA dibandingkan dengan CCL-MEA, kemungkinan karena peningkatan ketebalan CL (Gambar 3c–f dan Gambar 1b,f ). Pemeriksaan yang lebih dekat pada gambar SEM mengungkapkan bahwa retakan muncul di CL CCL-MEA setelah operasi 1600 jam (lingkaran kuning pada Gambar 4c ), yang menyebabkan diskontinuitas di CL. Retakan permukaan ini merupakan manifestasi langsung dari proses degradasi. Sebaliknya, tidak ada retakan yang diamati di PCL-MEA dan struktur CL tetap utuh. Peningkatan daya tahan ini dapat dikaitkan dengan keberadaan jaringan berpori yang saling terkait, yang menyediakan saluran transportasi gas yang melimpah dan secara efektif menghilangkan tekanan internal, sehingga mencegah pembentukan retakan. Lebih jauh lagi, gambar SEM perbesaran tinggi menunjukkan bahwa struktur berpori PCL terpelihara dengan baik setelah uji stabilitas (Gambar 3f ), yang berkontribusi pada peningkatan stabilitas katalitik dalam elektroliser PEMWE (Gambar 3a,b ). CL katode PCL-MEA dan CCL-MEA tetap relatif utuh setelah uji stabilitas (Gambar S9, Informasi Pendukung). Hal ini terutama disebabkan oleh substrat kertas karbon dari lapisan difusi katode, yang memberikan tingkat fleksibilitas tertentu dan secara efektif mengurangi tekanan mekanis.

Gambar 4
Buka di penampil gambar
Presentasi PowerPoint
Analisis impedansi dan rangkaian ekivalen PCL-MEA dan CCL-MEA. a) Grafik Nyquist PCL-MEA dan CCL-MEA pada 2 A cm −2 sebelum dan setelah uji stabilitas 500 jam pada 2 A cm −2 . b) Rangkaian ekivalen PCL-MEA dan CCL-MEA.
Setelah uji stabilitas, ECSA CCL-MEA menurun hingga 6%, disertai dengan penuaan dan keretakan CL yang signifikan. Sebaliknya, ECSA PCL-MEA meningkat hingga 13% selama periode pengujian yang sama (Gambar S10a, Informasi Pendukung). Uji kurva polarisasi semakin menegaskan tren ini, yang menunjukkan bahwa PCL-CCM tetap berada dalam tahap aktivasi dan menunjukkan stabilitas yang sangat baik (Gambar S10b, Informasi Pendukung). Peningkatan stabilitas ini dapat dikaitkan dengan saluran transmisi gas yang dibentuk oleh struktur berpori dalam CL, yang memfasilitasi pelepasan gas tepat waktu selama pengujian jangka panjang, sehingga mencegah degradasi dan keretakan CL.

Gambar 4 menunjukkan plot Nyquist yang diperoleh dari uji EIS pada 2 A cm −2 sebelum dan setelah uji stabilitas 500 jam. Diagram Nyquist dipasang pada rangkaian ekivalen yang ditunjukkan pada Gambar 4b dan parameter pemasangan ditunjukkan pada Tabel S2 (Informasi Pendukung). Hasil pemasangan sangat sesuai dengan data impedansi eksperimen. Sebelum uji stabilitas, resistansi frekuensi tinggi (HFR) PCL-MEA sebanding dengan CCL-MEA, yang menunjukkan bahwa struktur berpori tidak meningkatkan resistansi transpor proton. Pengamatan ini selanjutnya didukung oleh hasil uji pada 0,25 A cm −2 (Gambar S11, Informasi Pendukung). Namun, setelah uji stabilitas, perbedaan yang nyata muncul antara hasil PCL dan CCL. Secara khusus, HFR PCL-MEA menurun dari 25,7 menjadi 21,0 mΩ, sedangkan resistansi transfer muatan tetap tidak berubah. Peningkatan ini menunjukkan peningkatan kinerja antarmuka, yang disebabkan oleh kontak yang diperkuat antara PCL dan PTL. Kontak yang ditingkatkan memfasilitasi pengangkutan elektron dan proton yang lebih efisien di antarmuka, sehingga mengurangi resistansi antarmuka. Lebih jauh, interaksi yang kuat antara PCL dan PTL mengurangi tekanan lokal, memastikan distribusi arus yang lebih seragam pada kepadatan arus yang tinggi, yang pada akhirnya meningkatkan efisiensi dan stabilitas sistem secara keseluruhan.

Sebaliknya, CCL-MEA menunjukkan peningkatan signifikan dalam HFR, serta peningkatan resistansi pemindahan muatan dan pemindahan massa setelah uji stabilitas. Perubahan ini dapat dikaitkan dengan degradasi struktural, khususnya pembentukan retakan pada CL. Retakan ini mengganggu integritas CL, yang menyebabkan peningkatan impedansi frekuensi tinggi dan pengurangan ECSA, yang selanjutnya berkontribusi pada penurunan kinerja.

Struktur jaringan berpori dari PCL menunjukkan stabilitas yang unggul selama operasi yang lama. Struktur ini tidak hanya meningkatkan paparan dan pemanfaatan situs aktif tetapi juga mengoptimalkan ikatan antarmuka dengan PTL, mempertahankan kinerja yang kuat di bawah kepadatan arus yang tinggi. Sebaliknya, struktur CCL lebih rentan terhadap degradasi di bawah kondisi kepadatan arus yang tinggi. Temuan ini menggarisbawahi keuntungan yang jelas dari struktur PCL dalam hal stabilitas.

Untuk lebih mendukung penelitian kami, kami melakukan analisis komparatif sudut kontak dan profil permukaan CL di MEA 5 × 5 dan 2 × 2 cm 2 (Gambar S12 dan S13, Informasi Pendukung). Hasilnya menunjukkan tingkat konsistensi yang tinggi antara kedua skala, yang mengonfirmasi bahwa struktur berpori dapat dipertahankan bahkan pada skala yang lebih besar. Selain itu, kami mengevaluasi kinerja MEA 5 × 5 cm 2 (Gambar S14, Informasi Pendukung). Perbedaan tegangan antara MEA PCL 5 × 5 cm 2 dan MEA PCL 2 × 2 cm 2 hanya 17 mV pada 2 A cm −2 , yang menunjukkan konsistensi yang baik. Selain itu, di bawah kerapatan arus yang sama, MEA PCL 5 × 5 cm 2 menunjukkan tegangan operasi 50 mV lebih rendah dibandingkan dengan MEA CCL 5 × 5 cm 2 . Temuan ini menunjukkan bahwa strategi pembentukan pori kami dapat ditingkatkan dan diterapkan secara efektif di MEA dengan area yang luas.

3 Kesimpulan
Studi ini menyoroti efektivitas dan keuntungan penggunaan NH4HCO3 sebagai agen pembentuk pori untuk membangun jaringan berpori ikatan silang in situ selama pengepresan panas. Secara khusus, PCL secara signifikan meningkatkan porositas dan pemanfaatan situs aktif, mengungguli struktur tradisional. Hasilnya, elektroliser dengan PCL-MEA menunjukkan peningkatan kinerja, mencapai kerapatan arus tinggi sebesar 3,8 A cm − 2 @1,9 V, yang melampaui target DOE 2025 (3 A cm −2 @1,9 V). Lebih jauh lagi, MEA dengan struktur berpori menunjukkan daya tahan yang unggul di bawah beban konstan 2 A cm −2 tanpa degradasi signifikan yang diamati selama 1600 jam operasi. Secara keseluruhan, pekerjaan ini memperkenalkan struktur MEA baru dan menunjukkan peningkatan signifikan baik dalam struktur maupun kinerja MEA. Ini memberikan wawasan dan metodologi baru untuk mengembangkan sistem elektrolisis yang efisien dan stabil. Pendekatan yang diusulkan memiliki potensi besar untuk aplikasi praktis di PEMWE dan meletakkan dasar yang kuat untuk kemajuan teknologi energi masa depan.

4 Bagian Eksperimen
Bahan
Isopropanol dan amonium bikarbonat dibeli dari Aladdin. Nafion ionomer 5 wt% dan membran Nafion 115 dipasok oleh DuPont. Katalis Pt/C komersial (40 wt% Pt) diperoleh dari Johnson Matthey Company. IrO x komersial diperoleh dari Tanaka Kikinzoku Kogyo (TKK). Felt titanium diperoleh dari Bekaert New Materials dan kertas karbon diperoleh dari Engineered Fibers Technology, LLC. Semua reagen kimia yang digunakan dalam penelitian ini diperoleh dari pemasok komersial dan digunakan sebagaimana mestinya tanpa pemurnian lebih lanjut.

Pembuatan Tinta
MEA dengan PCL dan CCL disiapkan dengan menggunakan IrO x (TKK) sebagai katalis anoda dan Pt/C (40 wt%) sebagai katalis katoda. Tinta katalis anoda CCL disiapkan dengan mencampur 4 mg IrO x (TKK), 0,25 mL isopropanol, dan 33,7 μL larutan Nafion. Tinta katalis anoda PCL perlu menambahkan proporsi tertentu NH 4 HCO 3 sebagai agen pembentuk pori ke tinta konvensional. Persentase jumlah NH 4 HCO 3 yang ditambahkan bervariasi dari 10 hingga 40 wt% sesuai dengan kandungan padatan tinta. Metode persiapan katoda CCL-MEA dan PCL-MEA adalah sama. Tinta katalis katode terdiri dari 4 mg Pt/C (40 wt%), 0,25 mL isopropanol 0,125 mL H 2 O, dan 33,7 μL larutan Nafion. Semua tinta memerlukan ultrasonik dalam penangas es selama satu jam agar tercampur sempurna.

Pembuatan Sel Tunggal CCM dan PEMWE
Untuk menyiapkan MEA, tinta katalis anoda dan katoda disemprotkan terlebih dahulu ke lembaran politetrafluoroetilen (PTFE). ACL, Nafion115, dan lapisan katalis katoda diletakkan berurutan dan ditekan panas bersama-sama pada suhu 135 °C di bawah tekanan 16 MPa selama 3 menit. NH4HCO3 terurai selama proses penekanan panas dan mengakibatkan terbentuknya pori-pori. Setelah pendinginan, PTFE dikupas dengan hati-hati, menghasilkan MEA CCM dengan luas efektif 2 × 2 cm2 . Untuk lebih menghilangkan sisa zat pembentuk pori, L-MEA direndam dalam asam sulfat encer 0,05 mol L −1 selama 8 jam. Untuk menghindari penambahan variabel, perlakuan yang sama diterapkan pada CCL-MEA. Kemudian MEA dirakit dengan tekanan torsi 3,8 N·m dan lapisan titanium berlapis platinum dimanfaatkan sebagai lapisan transpor berpori pada sisi anoda dan kertas karbon pada sisi katoda.

Karakterisasi CCM: Karakterisasi Fisik
SEM dilakukan menggunakan mikroskop elektron pemindai emisi medan tekanan variabel Zeiss Sigma 300 pada tegangan percepatan 10 kV pada permukaan dan penampang lintang CL. Gambar yang dihasilkan digunakan untuk mengukur dan menganalisis struktur mikro CL. Sampel penampang lintang SEM dipecah secara kriogenik menggunakan nitrogen cair pada CCM.

Ukuran kluster tinta dengan kandungan amonium bikarbonat yang berbeda diukur dengan DLS pada suhu 25 °C. Tinta diencerkan hingga 1 wt% untuk memperoleh dispersi yang sesuai. Ukuran agregat dalam bubur katalis diukur menggunakan penganalisis ukuran partikel difraksi laser (NanoBrook 90Plus) pada suhu 25 °C.

Uji intrusi merkuri pada CL diukur menggunakan AutoPore 9600/9510 dari Micromeritics, AS.

Karakterisasi CCM: Karakterisasi Elektrokimia
Suhu operasi elektroliser PEM adalah 80 °C. Reaktan yang digunakan dalam konstruksi elektroliser PEM adalah air MilliQ, yang dialirkan melalui pompa peristaltik dengan laju aliran 25 mL min −1 .

Karakterisasi CCM: Karakterisasi Elektrokimia: Kurva Polarisasi
Kurva polarisasi diperoleh pada rentang kerapatan arus dari 0,05 hingga 6 A cm −2 . Setiap kerapatan arus dipertahankan selama 1 menit.

Karakterisasi CCM: Karakterisasi Elektrokimia: Pengukuran Luas Permukaan Elektrokimia
ECSA MEA diukur pada suhu kamar menggunakan voltametri siklik. Peralatan yang digunakan adalah elektroda cakram cincin berputar (DC-DSR ROTATRO, PHYCHEMI). Voltammogram siklik diukur dalam wilayah potensial non-Faraday dari 0,87 hingga 0,97 V (relatif terhadap elektroda hidrogen dinamis) pada laju pemindaian 20–100 mV s −1 .

Karakterisasi CCM: Karakterisasi Elektrokimia: EIS
EIS dari MEA diukur dengan menerapkan 10% arus operasi sebagai arus gangguan dalam rentang frekuensi AC 10 kHz hingga 0,1 Hz.