扫描电子显微镜成像技术在质子交换膜或固体氧化物电解槽及燃料电池材料表征方面的应用
Chengge Jiao, Bartlomiej Winiarski, Yinghong Lin, Alice Scarpellini, Patrick Barthelemy, Yuri Rikers, Dirk Laeveren, Ernst Jan Vesseur
Thermo Fisher Scientific, Eindhoven, the Netherlands
前言
电解槽和燃料电池(ECs/FCs)在未来的净零排放经济中发挥着重要作用，为了推进下一代电解槽和燃料电池设备的发展，在微观尺度上，我们需要表征催化剂颗粒，理解三相界面，实现微观成像和分析。利用扫描电子显微镜(SEM)可以获得有价值的见解，有助解决材料研发所面临的一些挑战问题。
PEM：质子交换膜
不同于透射电子显微镜(TEM)，扫描电子显微镜(SEM)可以针对完整的催化剂膜层进行成像表征。但是，SEM能否区分位于外表面和内表面的Pt颗粒，并且测量各自的颗粒大小？这些因素影响着化学活性和耐久性。
SOEC/FC：固体氧化物电解槽/燃料电池
1. 能否区分渗透镍和“死” 镍？电流传导必需渗透镍。
2. 能否测量三相界面(TPB)长度？TPB三相界面是反应发生的地方，TPB长度与设备性能密切相关。
利用镜筒内的两个二次电子探测器，分别检测低能量(<10 eV, 极表面信息)和高能量(10 – 50 eV,传统二次电子信息)信号
同时检测3种信号 (2 x SE + BSE)
自动分析颗粒，获得统计数据
智能合并多个探测器的不同结果，用以增强衬度并提取定量信息
1. 结合材料衬度和电位衬度，区分渗透镍(具备化学活性)和非渗透“死”镍(不具备化学活性)、陶瓷 (YSZ, 离子导体)、气孔(孔隙)
2. 使用FIB-SEM和三维图像处理技术，区分渗透气孔(有助于H2O、H2 传输)和非渗透气孔(与传输无关)，与Ni/YSZ数据结合并提取TPB密度。
结论
使用能量选择信号检测和数字图像处理技术，SEM成功表征了Pt颗粒和三相界面长度，这对于设计下一代电解槽和燃料电池至关重要。
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