XPS Characterization of a Membrane Electrode Assembly from a Proton Exchange Fuel Cell

Význam tématu

Charakterizace membránové elektrodové sestavy pomocí XPS je klíčová pro optimalizaci palivových článků na bázi protonově vodivé membrány. Analýza rozložení platiny a kvality vrstev přispívá k vyšší účinnosti, dlouhodobé stabilitě a ekonomičnosti technologie.

Cíle a přehled studie

Cílem studie bylo určit prostorovou distribuci platiny v katalytických vrstvách a ověřit případnou migraci do okolní Nafion elektrolytu. Použita byla technika velikoplošného zobrazování pomocí XPS společně s průřezovou preparací vzorku.

Použitá metodika a instrumentace

• Vzorek: membránová elektrodová sestava (MEA) se vrstvami Pt/C na Nafion membráně, zalitý epoxidem
• Preparace: ultra-nízký úhel mikrotomie (ULAM) pro získání rovinaté příčné řezu
• Spektrometrie: rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS), Thermo Scientific K-Alpha
• Zpracování dat: pokročilá analýza komponent a zobrazení velkých oblastí v systému Avantage

Hlavní výsledky a diskuse

• Kvantitativní mapování prokázalo lokalizaci platiny výhradně v katalytických vrstvách
• Principal component analysis umožnila zvýšit poměr signál/šum a spolehlivě identifikovat fáze epoxidu, Nafionu a Pt/C
• Line scan napříč vrstvami ukázal nulovou koncentraci platiny v oblasti Nafionu, tedy absenci rozsáhlé difuze
• Detekční limit XPS (~0,5 at. %) byl dostačující k odhalení i nízkých koncentrací platiny

Přínosy a praktické využití metody

• Možnost detailní inspekce interních vrstev bez destruktivního hloubkového profilování
• Podpora vývoje a kontroly kvality MEA v palivových článcích
• Optimalizace výrobních procesů s cílem minimalizace ztrát katalyzátoru
• Široké uplatnění v průmyslové i akademické výzkumné praxi

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace XPS s operando měřeními pro sledování změn v reálném provozu
• Využití nanostrukturálních a 3D zobrazovacích metod (např. XPS tomografie)
• Pokročilé datové analýzy včetně strojového učení pro prediktivní charakterizaci
• Rozšíření na další typy iontoměničových membrán a katalyzátorů

Závěr

Analýza MEA palivového článku technikou XPS s využitím ULAM preparace potvrdila optimální umístění platiny v katalytických vrstvách a nenaznačila její migraci do Nafionu. Metoda nabízí spolehlivý nástroj pro vývoj a kontrolu kvality palivových článků.

Reference

• Mack P, Nunney T. XPS Characterization of a Membrane Electrode Assembly from a Proton Exchange Fuel Cell. Thermo Fisher Scientific, 2010.