Effect of Dispersion Solvents and Ionomers on the Rheology of Catalyst Inks and Catalyst Layer Structure for Proton Exchange Membrane Fuel Cells

材料科学 化学工程 催化作用 质子交换膜燃料电池 流变学 溶剂 离聚物 Zeta电位 色散(光学) 纳米颗粒 复合材料 有机化学 聚合物 化学 纳米技术 共聚物 光学 物理 工程类
作者
Yuqing Guo,Daozeng Yang,Bing Li,Daijun Yang,Pingwen Ming,Cunman Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (23): 27119-27128 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.1c07070
摘要

This study investigated the effects of the dielectric constant (ε) of a dispersion solvent and ionomer content on the rheology of graphitized carbon (GC)-supported Pt catalyst ink and the structure of catalyst layers (CLs). The ionomer dispersions and catalyst inks were tested using rheological techniques, zeta (ξ) potential, and dynamic light scattering measurements. Results showed that increases in the solvent ε or ionomer content increased the ξ-potential of catalyst particles in the ink, which reduced the catalyst agglomerate size. Steady-state and oscillation scans showed that the Pt/GC catalyst ink had shear-thinning properties and gel-like behavior. The ink with a solvent ε of 40 tended to be more Newtonian fluid, with low yield stress (σy). The ionomer content altered the rheology of the ink by changing the internal interaction of inks. Solvents with ε of 70 and 55 enhanced the adsorption of ionomers onto catalysts, thereby increasing the adhesion between ink particles and reducing the risk of CL cracking. As the ionomer content increased, the catalyst absorbed more ionomers in inks, increasing the fracture toughness of CLs, which reduced the crack width.
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