Three-dimensional nanoimaging of fuel cell catalyst layers

离聚物 质子交换膜燃料电池 铂金 纳米材料基催化剂 催化作用 材料科学 燃料电池 多孔性 化学工程 纳米技术 复合材料 化学 聚合物 纳米颗粒 工程类 有机化学 共聚物
作者
Robin Girod,Timon Lazaridis,Hubert A. Gasteiger,Vasiliki Tileli
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:6 (5): 383-391 被引量:128
标识
DOI:10.1038/s41929-023-00947-y
摘要

Catalyst layers in proton exchange membrane fuel cells consist of platinum-group-metal nanocatalysts supported on carbon aggregates, forming a porous structure through which an ionomer network percolates. The local structural character of these heterogeneous assemblies is directly linked to the mass-transport resistances and subsequent cell performance losses; its three-dimensional visualization is therefore of interest. Herein we implement deep-learning-aided cryogenic transmission electron tomography for image restoration, and we quantitatively investigate the full morphology of various catalyst layers at the local-reaction-site scale. The analysis enables computation of metrics such as the ionomer morphology, coverage and homogeneity, location of platinum on the carbon supports, and platinum accessibility to the ionomer network, with the results directly compared and validated with experimental measurements. We expect that our findings and methodology for evaluating catalyst layer architectures will contribute towards linking the morphology to transport properties and overall fuel cell performance.
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