减少铂族金属的使用对于质子交换膜(PEM)电解系统的大规模部署至关重要。由于研究的重点主要集中在阳极上，阴极催化剂层的优化和阴极铂负载的降低往往被忽视。然而，考虑到操作电池中氢通过膜的速率与膜-阴极界面附近的局部氢浓度之间的密切关系，阴极催化剂层的结构设计被认为对减少H2交叉至关重要，特别是在使用薄膜(小于50 μm)的情况下。在这项研究中，我们对阴极结构参数进行了详细的研究，包括Pt/C电催化剂的Pt wt %，碳载体类型(Vulcan和高表面积碳，HSAC)和离子含量，目标是将Pt负载降低到0.025 mgPt/cm2，同时最小化电池氢交叉率。研究发现，阴极厚度的变化会导致界面接触电阻的变化，从而影响电极的电化学性能。Pt/C中Pt wt %和离子导体含量与阳极出口O2中H2含量呈正相关，而Pt负荷量呈相反趋势。通过计算得到的阴极催化剂层内的局部体积电流密度，分析了氢的交叉速率。根据所得的氢传质系数，在HSAC载体上采用离子与碳(I/C)比为0.35、Pt含量为40 wt %的阴极催化剂层是实现0.025 mgPt/cm2的低Pt负载和降低氢交叉率的最佳配置。结构参数变化及相应阴极催化剂层构型研究综述(a) Vulcan碳负载Pt/C催化剂和(b)HSAC负载Pt/C催化剂的阴极催化剂层(0.025 mgPt/cm2, I/C比为0.35)的SEM表面和横截面图像。阴极催化剂层的厚度(0.025和0.1 mgPt/cm2, I/C比率为0.35)在(C)中绘制为Pt/C中Pt wt %的反比函数，其中实际而不是标称Pt wt %值用于HSAC负载的Pt/C催化剂。

(a) Vulcan碳负载Pt/C催化剂和(b) HSAC负载Pt/C催化剂在Pt负载为0.025和0.1 mgPt/cm2 (I/C比值= 0.35)时的极化曲线和iR校正。(c) Vulcan碳负载Pt/ c催化剂在2 A/cm2 (I/C比率= 0.35)下的高频电阻和电池电位的总结。(d)在HSAC和Vulcan碳载体上Pt/C催化剂中40% wt % Pt的透射电镜图像。(e)在负载Pt为0.025 mgPt/cm2时，HSAC载体上Pt/C催化剂中5%和50% Pt的iR校正;原理图显示了根据I/C比在碳载体上的离聚体覆盖率。阴极和阳极压力都保持在环境条件下。(a) Pt/C中Pt wt %， (b) Pt负载，(C) I/C比对O2% Pt/C催化剂中H2的影响(d)显示了在0.5 A/cm2下测量的O2中H2浓度的总结。所有测量都保持阳极的环境压力。(a) Pt/C中Pt wt %， (b) Pt负载，(C) I/C比对h2o2中Pt/C催化剂的影响。(d)显示了在0.5 A/cm2下测量到的o2中H2的摘要。(e)使用hsac负载的Pt/C催化剂的阴极(I/C比= 0.35)，在12 h的电池调节阶段，记录的O2中H2随时间的变化。所有测量都保持阳极的环境压力。在几何电流密度为0.5 A/cm2时，阴极催化剂层内的局部体积电流密度由一组模拟实验条件及其相关变化确定。黑线表示10 μm厚阴极催化剂层的基本情况，Pt/C催化剂中Pt含量为40 wt %， Pt负载为0.025 mgPt/cm2, I/C比为0.69。原理图显示了靠近膜电极界面的局部氢浓度分布图。Vulcan碳负载Pt/C催化剂和HSAC负载Pt/C催化剂(I/C比= 0.35)的氢交叉通量与电流密度的函数关系及其线性回归结果。对于所有测量，保持环境阳极压力。

计算了不同阴极催化剂层配置下电池阴极组分中的氢传质系数。保持阳极的环境压力。

本研究报告了在PEM水电解电池中将阴极Pt负载降低到0.025 mgPt/cm2的超低水平的效果，同时通过优化阴极催化剂层的设计参数来最小化电池氢交叉。系统地考察了Pt/C中Pt wt %、碳载体类型和离聚体含量等关键变量。对O2中测得的H2数据的分析表明，较低的Pt wt %和I/C比通常有助于降低氢的渗透速率。相比之下，铂负载的减少可能会导致相反的效果，特别是在使用Vulcan碳负载催化剂的阴极中。通过观察膜电极界面附近的局部体积电流密度和局部氢浓度的变化，阐明了这些观察结果。计算了阴极组分的有效氢传质系数，结果与实验结果基本一致。值得注意的是，当Pt负载降低到0.025 mgPt/cm2时，在HSAC载体上阴极配置为40 wt % Pt, I/C比为0.35的电解池产生了最高的氢传质系数。因此，这种特殊的结构被认为是超低铂负载水平下低氢交叉阴极的最佳选择。

Cathode Catalyst Layer Design in PEM Water Electrolysis toward Reduced Pt Loading and Hydrogen Crossover | ACS Applied Materials & Interfaces

https://doi.org/10.1021/acsami.4c01827