电池行业应用专题|生物医疗领域的催化剂油墨状态与稳定性

本文为电池行业应用专题的一部分，总字数为2445字，预计阅读时长约为8分钟。

摘要：催化剂层作为催化剂包覆膜的关键成分，构成了聚合物电解质膜燃料电池的基础。为了实现生物医疗应用的最佳性能，确立合适催化剂层的结构及功能至关重要。为此，催化剂层前体需进行适当调整，并应用于膜上以形成包覆膜。良好的分散特性是催化剂油墨大规模生产的前提条件。

目的：本研究中涉及的催化剂油墨制备采用搅拌与超声波处理，结合分析离心法研究油墨的状态与稳定性。

方法：油墨制备通过磁力搅拌与超声波的不同方式进行，并利用分析离心法评估油墨的状态与稳定性。

结论：利用Lum稳定性分析仪能够分析油墨样品的沉降情况及稳定性。

关键词：催化剂；生物医疗；稳定性分析；油墨

一、生物医疗领域的催化剂介绍

在能源研究领域，催化剂被广泛应用于生物医疗设备中。它们具有高能效、高功率密度、低工作温度和出色的耐久性。因此，催化剂作为活性成分，形成了新型生物医疗设备的核心。为了达到最佳性能，催化剂层的结构和功能性显得十分重要。因此，需要对催化剂层前体进行调整，使其可以有效应用于膜上以构成包覆膜。良好的分散特性对催化剂油墨的大规模生产至关重要。

膜电极组件是生物医疗设备的核心，通常由阳极和阴极催化剂层、聚合物电解质膜以及气体扩散层组成。催化剂层是关键的氧化还原反应和氢氧化反应的发生地。尤其是有助于氧化还原反应的阴极催化层，成为了生物医疗设备性能与成本控制的重要组成部分。为了解决该瓶颈，增加铂催化剂的负载虽有助于加速反应，但高铂负载的可扩展性和经济问题限制了它的实际应用。因此，关于生物医疗设备的研究主要集中在开发优化的催化剂涂层和膜电极组件布局上。

高功率密度的生物医疗设备阴极通常由炭黑组成的催化剂油墨制成，形成一个骨架。这个高表面积框架中的铂粒子作为电催化剂进行装饰。生物医疗催化剂油墨常以液体形式分散，但这是一个过渡状态，最终催化剂油墨将在操作中作为涂层敷设在基底或膜上。设有Pt/C催化剂粉末的阴极催化层分散在含有溶剂和高分子聚合物的连续相中。

喷墨打印技术相较于传统的超声波喷涂、刮涂等方式在生物医疗应用中显示出一定的技术优势，并成功应用于燃料电池的制造过程中。在这个过程中，油墨的性能变得至关重要。由于碳材料具有较强的团聚倾向，分散性差的油墨会导致聚集体的形成，在快速干燥过程中产生无序、控制不良的涂层。同时，聚集体的存在往往会造成喷嘴堵塞。

二、实验方法

样品配置方法包括：

第一种油墨使用磁力搅拌器在500rpm下混合24小时（油墨样品MS）。

第二种油墨使用超声波浴混合30分钟（油墨样品UB）。

第三种油墨先通过30分钟的超声浴，然后进行10分钟的探针超声，振幅为20%（UB+S20）。

第四种油墨同样先进行30分钟超声浴，随后进行10分钟的探针超声，振幅为70%（UB+S70）。

稳定性分析采用波长为870nm的光源，转子转速为4000rpm（底部为2300g）。每次测量包括333个剖面图，每175秒记录一次。总离心时间为16小时。为确保重现性，每种分散方法在不同日子各制备三种油墨样品（共12个样本），并重复测量三次。

由于所有剖面均被绘制出来，除了快速沉积不均匀的样品外，谱线彼此非常接近。在所有情况下，沉积实验的初期与接近尾声时，后续剖面之间距离较窄。这导致线条形成紧凑的紫色及靛蓝片段（实验开始阶段），以及绿色和黄色片段（实验结束阶段）。

三、设备介绍

本文使用的德国LUM LumiSizer设备，利用STEP（空间-时间衰减特征）技术，样品被置于平行的单色短脉冲光束中，通过CCD检测器实时监测样品透过率变化。通过加速离心的方式，可以有效测试样品稳定性，达到最高2300倍重力加速度。

该设备应用广泛，可分析整体稳定性，包括不稳定性指数、指纹图谱、迁移速率、界面追踪等。对于不同改性的多壁碳纳米管的稳定性，对生物医疗设备的性能有重要影响。

综上所述，借助PG电子的技术优势，本文对生物医疗领域催化剂油墨的状态与稳定性进行了深入分析，为相关领域的发展奠定了基础。