工程科学学报.第43卷，第8期：1073-1080.2021年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.8:1073-1080,August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.17.004;http://cje.ustb.edu.cn 离子交换树脂对P/C催化剂耐久性的影响 王园2)，李赏12，)四，刘声楚12)，洪亢12)，张立昌1,2，汪如意12)，潘牧，2 1)武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉4300702)武汉理工大学燃料电池湖北省重点实验室，武汉4300703)先进能源 科学与技术广东省实验室佛山分中心（佛山仙湖实验室）.佛山528200 ☒通信作者，E-mail:lishang@whutedu.cn 摘要离子交换树脂(Ionomer)是质子交换膜燃料电池催化层的重要组成部分，它在催化层中的主要作用是作为质子传导 相传导质子.本文采用旋转圆盘电极法(RDE),在模拟燃料电池真实的运行环境（模式一）和模拟燃料电池启停环境（模式二） 两种模式下，研究了lonomer对铂碳催化剂电压循环耐久性的影响.通过相同位置透射电镜分析法(L-TEM),分析了铂碳催 化剂经历模式二耐久性测试后的结构变化.研究发现Ionomer的存在可以提高铂碳催化剂的耐久性.在模式一的测试中：添 加Ionomer后，其氧还原半波电位下降值△E从23mV下降至11mV;没有发生碳的腐蚀，Pt颗粒的长大是催化剂性能下降的 主要原因；lonomer的存在延缓了Pt电化学比表面积(ECSA)的降低从而有利于保持Pt的活性.在模式二的测试中：添加 Ionomer后，其氧还原半波电位下降值△E从25mV下降至5mV,除了铂颗粒长大外还发生了载体碳的腐蚀；Ionomer的存在 同样可以保持Pt的活性：L-TEM分析可以看到明显的铂颗粒长大和碳腐蚀，碳载体的腐蚀造成铂的严重流失和团聚.含 Nafion的催化剂中铂颗粒平均粒径从2.7nm增加到了3.76nm.不含Nafion的催化剂中的铂颗粒平均粒径从2.44nm增加到 了4.19nm 关键词质子交换膜燃料电池：离子交换树脂：P/C催化剂：耐久性：相同位置透射电镜(L-TEM) 分类号TM911.42 Influence of ionomer on the durability of Pt/C catalyst WANG Yuan2),LI Shang2,LIU Sheng-chu2),HONG Kang 2),ZHANG Li-chang2),WANG Ru-yi2),PAN Mu2) 1)State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing.Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China 2)Key Laboratory of Hubei Province for Fuel Cells,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China 3)Foshan Xianhu Laboratory of the Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory,Foshan 528200,China Corresponding author,E-mail:lishang @whut.edu.cn ABSTRACT Ionomer is an important part of the catalytic layer in proton exchange membrane fuel cell.Its main role is to conduct protons.We investigated the effect of ionomer on the durability of Pu/C catalyst using rotating disk electrode(RDE)under two modes: the real operating conditions (mode 1)and startup/shutdown conditions (mode 2).The structural changes of Pt/C catalyst after the durability test were analyzed by identical location transmission electron microscopy (IL-TEM).Results show that the addition of ionomer improved the durability of Pu/C catalysts.After the durability test of mode 1,the addition of ionomer reduced the change of half-wave potential (AE)of oxygen reduction reaction from 23 to 11 mV,which is attributed to the growth of Pt particles rather than carbon corrosion.Ionomer delayed the decrease of electrochemical specific surface area (ECSA)of Pt/C catalyst,which is beneficial to the maintenance of Pt activity.After the durability test of mode 2,in addition to the growth of platinum particles,carbon corrosion occurred in the catalyst layer,and the growth of platinum particles was mainly due to carbon corrosion.The addition of ionomer reduced 收稿日期：2020-11-17 基金项目：国家自然科学基金面上资助项目(22075218)：先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心（佛山仙湖实验室）开放基金资助 项目离子交换树脂对 Pt/C 催化剂耐久性的影响 王    园1,2)，李    赏1,2,3) 苣，刘声楚1,2)，洪    亢1,2)，张立昌1,2)，汪如意1,2)，潘    牧1,2) 1) 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070    2) 武汉理工大学燃料电池湖北省重点实验室，武汉 430070    3) 先进能源 科学与技术广东省实验室佛山分中心（佛山仙湖实验室），佛山 528200 苣通信作者，E-mail：lishang@whut.edu.cn 摘    要    离子交换树脂（Ionomer）是质子交换膜燃料电池催化层的重要组成部分，它在催化层中的主要作用是作为质子传导 相传导质子. 本文采用旋转圆盘电极法（RDE），在模拟燃料电池真实的运行环境（模式一）和模拟燃料电池启停环境（模式二） 两种模式下，研究了 Ionomer 对铂碳催化剂电压循环耐久性的影响. 通过相同位置透射电镜分析法（IL-TEM），分析了铂碳催 化剂经历模式二耐久性测试后的结构变化. 研究发现 Ionomer 的存在可以提高铂碳催化剂的耐久性. 在模式一的测试中：添 加 Ionomer 后，其氧还原半波电位下降值∆E 从 23 mV 下降至 11 mV；没有发生碳的腐蚀，Pt 颗粒的长大是催化剂性能下降的 主要原因；Ionomer 的存在延缓了 Pt 电化学比表面积（ECSA）的降低从而有利于保持 Pt 的活性. 在模式二的测试中：添加 Ionomer 后，其氧还原半波电位下降值∆E 从 25 mV 下降至 5 mV，除了铂颗粒长大外还发生了载体碳的腐蚀；Ionomer 的存在 同样可以保持 Pt 的活性；IL-TEM 分析可以看到明显的铂颗粒长大和碳腐蚀，碳载体的腐蚀造成铂的严重流失和团聚. 含 Nafion 的催化剂中铂颗粒平均粒径从 2.7 nm 增加到了 3.76 nm，不含 Nafion 的催化剂中的铂颗粒平均粒径从 2.44 nm 增加到 了 4.19 nm. 关键词    质子交换膜燃料电池；离子交换树脂；Pt/C 催化剂；耐久性；相同位置透射电镜 (IL-TEM) 分类号    TM 911.42 Influence of ionomer on the durability of Pt/C catalyst WANG Yuan1,2) ，LI Shang1,2,3) 苣 ，LIU Sheng-chu1,2) ，HONG Kang1,2) ，ZHANG Li-chang1,2) ，WANG Ru-yi1,2) ，PAN Mu1,2) 1) State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China 2) Key Laboratory of Hubei Province for Fuel Cells, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China 3) Foshan Xianhu Laboratory of the Advanced Energy Science and Technology Guangdong Laboratory, Foshan 528200, China 苣 Corresponding author, E-mail: lishang@whut.edu.cn ABSTRACT    Ionomer is an important part of the catalytic layer in proton exchange membrane fuel cell. Its main role is to conduct protons. We investigated the effect of ionomer on the durability of Pt/C catalyst using rotating disk electrode (RDE) under two modes: the  real  operating  conditions  (mode  1)  and  startup/shutdown  conditions  (mode  2).  The  structural  changes  of  Pt/C  catalyst  after  the durability  test  were  analyzed  by  identical  location  transmission  electron  microscopy  (IL-TEM).  Results  show  that  the  addition  of ionomer improved the durability of Pt/C catalysts. After the durability test of mode 1, the addition of ionomer reduced the change of half-wave potential (∆E1/2) of oxygen reduction reaction from 23 to 11 mV, which is attributed to the growth of Pt particles rather than carbon corrosion. Ionomer delayed the decrease of electrochemical specific surface area (ECSA) of Pt/C catalyst, which is beneficial to the  maintenance  of  Pt  activity.  After  the  durability  test  of  mode  2,  in  addition  to  the  growth  of  platinum  particles,  carbon  corrosion occurred in the catalyst layer, and the growth of platinum particles was mainly due to carbon corrosion. The addition of ionomer reduced 收稿日期: 2020−11−17 基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目（22075218）；先进能源科学与技术广东省实验室佛山分中心（佛山仙湖实验室）开放基金资助 项目 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期：1073−1080，2021 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 8: 1073−1080, August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.17.004; http://cje.ustb.edu.cn