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熱點應用 - 燃料電池膜電極催化元素分析
膜電極催化元素含量分析
對燃料電池性能的影響
質子交換膜燃料電池中常用超細鉑(Pt)作為膜電極的催化活性中心，其中鉑(Pt)的含量直接影響電極的電催化性能和電池成本。因而，如何高效準確的對Pt的擔載量進行測定，對于降低電池成本和評價電極性能有切實的工作價值。
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目前來說，Pt的擔載量大都是通過電極制備過程中加入的物料量或是電化學的循環(huán)伏安法中氫(H)的脫附峰面積來間接計算獲得的。但是由于工藝過程和反應機理的復雜性，這兩種測試方法一方面由于其間接計算的特性使其與實際數(shù)值存在差距，另一方面也難以應用于生產過程中復雜的質量控制。
XRF作為一種快速且無損的物理分析方法，通過簡單的校準即可獲得可靠的Pt擔載量信息，且不需要類似于其他光譜分析或者電化學分析方法一樣復雜、易引入誤差的前處理步驟，XRF技術也是唯一一種可以實現(xiàn)膜電極生產線直接在線監(jiān)控Pt擔載量的分析技術。因此，在2020年發(fā)布的《T/CAAMTB 12 膜電極測試方法》標準中，XRF法被指定為Pt擔載量標準測試方法。
對于XRF來說，Pt含量分析并不是一個陌生的應用。
在新能源汽車成為口口相傳的朝陽產業(yè)的同時，同樣出于環(huán)境保護的目的，中國機動車市場上符合國4、國5、國6燃油排放標準接踵而至。負載了昂貴的鉑、鈀、銠的三元催化劑被用于轉化汽車尾氣中的有害氣體以滿足不斷升級的標準要求。
對于如此昂貴的原材料，其生產控制和回收中離不開XRF的身影。特別是對于復雜的催化劑回收來說，由于難以追溯其生產工藝，樣品多變、復雜的基體和寬泛的濃度范圍對于傳統(tǒng)的濕法化學分析來說，無疑是一個極大的挑戰(zhàn)，而XRF分析技術卻可以通過巧妙的校準，實現(xiàn)極佳準確性和廣泛適用性的兩者兼得。
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下圖中展示了馬爾文帕納科XRF光譜儀對回收三元催化劑進行表征的工作曲線例圖，有證物質比對結果列入下表。
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相對于回收催化劑的復雜基體，質子交換膜中的Pt擔載量分析具有基體簡單易校準的優(yōu)勢。根據(jù)Pt的信號能量特點，同樣可以得知質子交換膜中常見的Pt擔載量的信號強度相對于回收催化劑要高一個數(shù)量級以上，因而常見的XRF均可以滿足Pt擔載量的分析靈敏度要求。
在不同的應用場景下，手持式XRF、臺式XRF和集成式XRF可以滿足不同的使用需要。
得益于公司七十多年的X射線分析儀器技術積累，馬爾文帕納科為多變且高精度的Pt擔載量分析需求提供了集成化的解決方案。Epsilon1臺式XRF能譜一體機不僅可以在沒有標準物質的情況下對不同配方的交換膜進行校準和分析，而且可以在極短時間內給出高精度的分析結果，典型分析精度如下表所示。
Epsilon 1
臺式 XRF 能譜一體機
Epsilon1的典型Pt擔載量分析精度
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針對生產過程控制中對于電極片的實時檢測需求，馬爾文帕納科也推出了針對膜電池行業(yè)的在線分析產品，其不僅可以實現(xiàn)接近于離線實驗室分析的動態(tài)分析精度，而且其流動測量特性可以極大的縮減測量間隔，目前已實現(xiàn)部分高速流水線上的電極片分片采樣與測量。
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馬爾文帕納科的使命是通過對材料進行化學、物性和結構分析，打造出更勝一籌的客戶導向型創(chuàng)新解決方案和服務，從而提高效率和產生可觀的經濟效益。通過利用包括人工智能和預測分析在內的最近技術發(fā)展，我們能夠逐步實現(xiàn)這一目標。這將讓各個行業(yè)和組織的科學家和工程師可解決一系列難題，如最大程度地提高生產率、開發(fā)更高質量的產品，并縮短產品上市時間。
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