氫催化劑分析

氫催化劑是提高氫氣生產、儲存和使用效率的重要材料，更在永續能源經濟轉型中起到關鍵作用。許多程序都會使用氫催化劑來製氫，例如電解 (使用鉑和氧化銥)、光催化 (使用二氧化鈦) 和蒸氣重整 (使用鎳基催化劑)。 

在燃料電池中，鉑和鎳催化劑會促進電化學反應以利用氫氣發電，而儲存催化劑則可協助有效吸附和脫附金屬氫化物等材料中的氫氣。此外，氫催化劑也是製氨和加氫裂解等工業製程中不可或缺的一環，有利於產生更潔淨的能源及進行創新工業應用。

氫經濟的關鍵要素包括：

製氫

蒸氣甲烷重整 (SMR) 是將甲烷氧化成氫氣和 CO₂ 以生產氫的傳統方法。更潔淨的製氫方法是使用電解槽，運用電力將水分解為氫氣和氧氣。若電力來自太陽能和風能等再生能源，則透過此方式產出的氫氣就稱為「綠氫」。

儲氫

氫氣的儲存方式包括壓縮氫氣與液態氫。或者，也可藉由金屬氫化物的化學形式儲存。

用氫

氫氣可用於發電、可加以燃燒而產生熱能，也可做為還原劑，以從氧化物製造金屬。一般用於氫能電動車的燃料電池就是透過氫氣氧化來產生電力。

電解槽和燃料電池的製造與碳載體催化劑粉末有關，此種粉末會轉化為催化劑漿料，並且塗佈在質子交換聚合物膜上。 

催化劑粉末內所含有之嵌入多孔碳基質的金屬催化劑皆為奈米大小。催化劑漿料的配方十分複雜，其中的碳催化劑團聚物會與 Nafion 離子聚合物形成互連式網狀結構。 

粉末與漿料中的顆粒大小、顆粒形狀、表面積與孔隙度在催化劑塗佈品質的均質性、孔隙度和堆積密度中，都扮演著重要的角色。對於顆粒團聚/沉積，以及粉末、漿料和塗層膜中的金屬催化劑負載量來說，這是另一個有關漿體穩定性的重要參數。

催化劑漿料的配方十分複雜，其中包含由 Nafion 離子聚合物結合各種粒子及其團聚物而成的碳黑，以及將碳黑做為載體的鉑催化劑，示意圖如右。

這需要運用一系列不同的粒徑測量技術才能進行特性分析。我們運用 X 光繞射 (XRD)、雷射繞射 (LD) 以及動態光散射 (DLS) 技術來分析位於不同大小範圍的粒子。

影像：催化劑漿料配方中的粒子示意圖。

催化劑鉑粒子 

催化劑鉑粒子的粒徑為 2-5 nm，分散於活性碳載體基質中。較小的粒子擴散性較高，所以會形成不穩定的狀態。換句話說，較大的粒子會讓催化活性變低。如要測量鉑粒子的粒徑，可使用我們的 Aeris 或 Empyrean XRD。 

XRD 可測量晶粒尺寸，而低於 10 nm 的則可能是粒徑。  

使用 Aeris XRD 可測量 Vulcan 碳載體上三種不同的鉑催化劑負載。得出的粒徑顯示在鉑的負載較高時會出現團聚現象。

碳黑 

可使用我們的動態光散射系統 Zetasizer 來判斷催化劑漿料中的碳黑大小。 

我們的專利非侵入性背向散射 (NIBS) 技術可根據不透明度和濃度等樣本特性，自動改變路徑長度。也就是說，我們的技術能測量催化劑漿料等高濃度且不透明的漿體，為各種濃度和尺寸大小提供準確的粒俓資料，同時保持一致的結果。 

此外，Zetasizer 還可測量 Zeta 電位或粒子上的電荷。高電荷粒子會保持分散狀態，而低電荷粒子則傾向於黏聚在一起。

影像：使用 NIBS 和 Zetasizer pro 對催化劑漿料重複進行六次 DLS 測量，顯示分散碳粒子的平均大小為 210 nm。

Mastersizer 3000+ 提供了另一個測量碳粒子粒徑的方法，特別是當樣本中存在大於 1 µm 的團聚物時更是適用。 

Mastersizer 3000+ 採用雷射繞射技術，由於具備高精確度、可重複性與可靠性，因此獲公認為粒徑測量領域中的產業標竿。

影像：使用 Mastersizer 3000 雷射繞射儀器測量 Vulcan XC-72 碳黑載體粒子上三種不同鉑負載程度 (20%、40%、60%) 的鉑/碳催化劑粉末樣本粒徑。

使用 Epsilon 4 或 Revontium EDXRF 系統即可測量催化劑粉末、漿料與塗層膜的元素成分。 

必須分析鈉以下的低電荷雜質時，則可使用 Zetium WDXRF。

影像：以 Epsilon 1 測量 40% 鉑/碳樣本，即可得到顯示鉑/碳催化劑中所存在元素的 XRF 光譜。

如要研究催化劑塗層膜的元素成分均質性，Epsilon Xline 正是完美的解決方案。 

此工具結合我們先進的 Epsilon 4 技術與即時功能，可為超音波噴霧塗佈及捲對捲塗佈製程提供即時材料監控與最新的製程控制功能。此類定期分析代表可針對材料成分和裝載持續進行最佳化，有助於大幅減少不符規格的成品，並且最大化成本效益。

除了精確的製程控制，彈性靈活的 Epsilon Xline 也適用於各種表面和催化材料。

下載我們的 Epsilon Xline 手冊以深入瞭解。