Nature Catalysis：燃料电池催化剂层，三维纳米成像！

质子交换膜燃料电池中的催化剂层由负载在碳聚集体上的铂族金属纳米催化剂组成，形成多孔结构，通过该多孔结构离子聚合物网络渗透。这些异质组装体的局部结构特征与质量输运模型电阻和随后的电池性能损失直接相关。因此，催化剂层的三维可视化具有重要研究意义。

有鉴于此，洛桑理工学院Vasiliki Tileli等人实现了深度学习辅助的低温透射电子断层扫描图像复原，并在局部-反应-现场尺度上定量研究了各种催化剂层的完整形态。该分析能够计算诸如离聚体形态、覆盖率和均匀性、铂在碳载体上的位置以及铂对离聚体网络的可达性等指标，并将结果与实验测量结果直接进行比较和验证。作者期望本工作报道的评估催化剂层结构的方法和手段将有助于将形貌与传输特性和整体燃料电池性能联系起来。

（1）催化剂层聚集体的低温电子层析成像

作者将有机样品的电子成像与电子断层扫描相结合，在电子断层扫描中，通过增加标本倾斜角度获得一系列投影图像，并用于计算标本的三维重建。作者展示了展示了由Nafion离子单体、LSC支撑体和铂纳米颗粒制成的催化剂层聚合体的重建和去噪过程的结果，表明该工作流比其他方法执行得更好。作者证明了经过处理的重建可以提供定性和定量的信息。

图  Nafion-LSC-铂聚集体的Cryo-ET工作流程及分析

（2）催化剂层结构

为了深入了解典型的质子交换膜燃料电池阴极的形态，作者研究了一种催化剂层，其中19.8 wt%铂支撑在高表面积碳。作者分析了催化剂层最外层的碳结构、孔结构、离子网络形态等结构特征，证明了在电子断层扫描中进行的分析可以被认为是具有代表性的。

图  显微切割3M离聚体-HSC-铂催化剂层的低温ET重建及离聚体网络分析

（3）催化剂层中铂相关形貌分析

作者利用重建的体积进一步研究了铂纳米颗粒与碳载体和离聚体网络的形态和相互作用。相当一部分(46%)的纳米颗粒被发现存在于碳初级颗粒的纳米孔中，内部和外部粒子平均直径分别为2.7和3.0 nm，而外部粒子的分布略宽，这可能是由于合成过程中碳载体内部孔隙率限制了粒子的生长。重点关注外部铂粒子及其与离子网络的连通性，然后将从层析图计算的表面积与体积测量进行了比较。结果表明，在高相对湿度水平下，所有铂都可以被CO剥离。

图  微切3M离聚体-HSC-铂催化剂层中铂相关形貌分析

参考文献：

Girod, R., Lazaridis, T., Gasteiger, H.A. et al. Three-dimensional nanoimaging of fuel cell catalyst layers. Nat Catal (2023). https://doi.org/10.1038/s41929-023-00947-y