随着质子交换膜燃料电池商业化的推进，为提高膜电极制造的可重现性，保障膜电极制造工艺的产品控制，需要Pt载量和分布无损高精度在线检测提供技术支撑。目前常用的铂载量分析方法包括：

　　低能X射线（LowenergyX-rayimaging）[1]

　　低能X射线图像的对比度源于光束路径中电子密度对X射线的衰减作用，从而降低了探测器接收到的X射线强度。因此

该技术对电极铂载量的变化具有高度敏感性。亚毫米级的空间成像分辨率可轻松实现，这有助于检测和定位任何涂层异常。

Isee!软件包内置功能可计算给定二维图像的平均灰度值，如图1所示。

　　图1.采用（a）固定喷嘴和（b）移动喷嘴进行喷涂的样品的低能X射线图像以及灰度强度与横向位置的关系图

　　通过拍摄具有不同铂负载量（通过称重法确定）的多个电极的图像，可构建一条如图2所示的电极图像的平均灰

度强度与其铂载量相关联的校准曲线。利用Isee!软件包可手动调节X射线图像的亮度和对比度，使每幅图像能清晰

呈现电极表面的铂载量分布差异。在制作校准曲线时，我们确保同组样品的对比度和亮度参数保持严格一致。具体

见文章[1]分析。

　　图2.平均灰度强度与重量法测定的Pt载量关系图

　　能量色散型（EDXRF）技术[2]

　　它是一种快速、无损测定催化层中Pt载量的方法。通过分析多个已知的不同Pt负载量的自制样品，制作校准曲

线，便可利用该曲线测定样品的铂载量。其工作原理如图3所示：它从底部发射初级X射线，并在对角线位置检测

样品的荧光X射线。XRF光谱中的各种峰对应于样品中元素的光谱发射，其强度与入射光束相互作用体积中的元素

组成相关。因此，XRF光谱中元素峰的强度可以与样品中元素的负载质量成函数关系。

　　图3.EDXRF的工作原理示意图

　　具体步骤为：

　　翻译结果

　　翻译结果

　　先准备五份已知铂负载量的样品（称重法）。随后将这些样品用XRF仪器进行光谱分析，得到不同的XRF光谱图，

如图4a所示。样品中铂载量越高，Pt的峰强度越高。

　　图4.(a)五个已知铂载量的样品的XRF光谱(b)Pt载量[mg/cm2]与Pt-LαROI[cps/mA]之间的校准曲线图

　　随后将Pt载量与Pt-Lα计数进行绘图得到校准曲线。发现两者（图4b）显示出良好的线性关系(R²>0.999)。

随后便可用这种方法预测未知样品的铂载量。

　　XRF测量法还可建立铂强度与湿膜厚度、铂载量之间的关系[3]

　　考虑到XRF中的铂强度可半定量反映催化层中的铂含量，当墨水均匀分散时，铂强度应与湿膜厚度呈线性

相关，如图5所示：

　　图5.测量的湿膜厚度与相应的XRF中Pt强度之间的相关性（线扫描测量）

　　上图显示铂强度与湿膜厚度呈线性相关，且有文献报道铂载量与膜厚度成线性相关[4]。那么还可建立Pt强度

和湿膜厚度与铂载量之间的关系（详细步骤见文献[3]）

　　图6.湿膜厚度和XRF铂强度与电极负载的关系图。Y方向的误差线表示湿膜厚度和XRF铂强度平均数据点的

标准偏差。X方向的误差线表示重量法计算的铂载量范围

　　图6显示，重量法计算的铂载量，与湿膜厚度和XRF中的铂强度之间有很好的线性关系(R²=0.999/0.997)

　　ICP-MS[5]

　　MEA主要由聚合物膜(如Nafion膜)和催化层构成,而催化层的主要成分是碳载体和铂催化剂。因此,怎样在不

损失铂的条件下去除碳是样品处理的关键。

　　1）灰化-酸水解＋ICP-MS法

　　取样:取一片没有损坏、干燥的MEA,准确测量其尺寸和质量,用剪刀小心剪成碎末,然后将其完全转移到刚玉坩

埚中，并置于马弗炉中灰化：第一阶段400℃保持2-3h，第二阶段950℃条件下处理12h，使MEA样品中的碳充

分灰化。充分灰化后坩埚底部只留有少许残留物,其表面呈灰白色,但从整体上看颜色较暗,分散性好,呈干粉状附着

于坩埚底部。

　　酸解过程：灰化结束后向坩埚中加入少量水，随后沿坩埚壁缓慢加入适量的浓硫酸与浓硝酸（体积比1:3），

置于100℃加热板上加盖消解。当酸液浓缩至原体积一半时,再继续滴加浓硝酸，同时低温加热，使其充分硝化。

最后，若样品不容易完全硝化，可以加少量双氧水使剩余的少量残渣均被硝化。重复加酸、加热操作2-4次直至

溶液澄清无悬浮物。样品充分硝化后，再沿坩埚壁加入适量新配制的王水（盐酸与硝酸体积比3:1），多次少

量，于100℃附近消解至溶液透明澄清，冷却后将消解液用一级水定容至50mL或100mL容量瓶。

　　仪器测试：将消解液稀释至适宜浓度范围后，采用ICP-MS进行测试

　　2）微波消解＋ICP-MS法

　　将膜电极样品切取一定面积，预先在80℃真空干燥后称重并精确测量尺寸，然后剪碎置于消解管中

　　酸解过程：加入5mL硝酸与盐酸的混合酸（体积比为3:1），进行微波消解（消解温度250~280℃，消解

时间30~45min）。消解结束后，过滤滤渣，并进行容量瓶定容

　　仪器测试：将消解液稀释至适当范围，选择ICP-MS测试。

　　直流激励法膜电极Pt载量[6]

　　直流激励法膜电极Pt载量测试装置如图7所示，膜电极被夹在设计好的夹具中，2个接触膜电极的金属丝之

间利用电化学工作站施加特定的电压，采集电流信号。根据欧姆定律，在同一电路中，通过某一导体的电流跟

这段导体两端的电压成正比，跟这段导体的电阻成反比。最后可获得不同电压下的电流信号，以计算膜电极电

阻。获得电阻信息后，通过ICP-OES获得膜电极的真实Pt载量，构建电阻-Pt载量的定量数学关系，并建立标准

曲线。获得标准曲线后，即可以通过对未知膜电极的电阻的测试完成对未知膜电极的Pt载量定量计算。

　　图7.直流激励法Pt载量测试装置示意图

　　电流密度-膜电极Pt载量标准曲线测试：

　　为了确定含不同铂载量的膜电极电阻，电化学工作站的测试程序如图8A所示，由于燃料电池膜电极阴阳极

标准电位差为1.2V，为了防止过高的电压可能会带来膜电极中催化剂中Pt和碳载体的腐蚀，直流激励电压设定

为0.1~1.2V。为了减小测试误差，每个电压保持10s，记录其i-t曲线（图8B），计算每个电压阶梯下10s内电

流的平均值。最终获得不同载量膜电极的i-V曲线（图8C），该曲线的斜距的倒数即为不同载量膜电极的电阻，

随着Pt载量（PL）的增加，膜电极的电阻减小，电阻与Pt载量反相关。

　　R∝1/PL

　　图8.标准曲线测试(A)电压-时间(V-t)曲线;(B)不同Pt载量(0.1、0.2、0.3和0.4mg/cm2)膜电极电流-

时间曲线i-t曲线；(C)经转换后电流-电压曲线;(D)不同电压下的电流密度-Pt载量标准曲线

　　在0.1~1.2V的电压范围内，同一膜电极电阻为定值，证明了此电压范围内膜电极直流激励电压，电流，电

阻满足欧姆定律。由于电阻并不是测试值，为了方便直接利用测试值（电流密度）进行标定，将电流密度-Pt载

量曲线（图8D）设计为标准曲线。需要注意的是不同载体和合金成分也会引入影响膜电极电阻的变量，因此该

方法适用于同一喷涂浆料下膜电极不同载量的测试，不同的浆料需要重新测定电流密度-Pt载量标准曲线

　　Pt载量测试:在获得了不同电压下电流密度-Pt载量标准曲线后，对6个未知载量的膜电极采用图8A所示的方法

在膜电极上施加0.1~1.2V的电压，同样记录i-t曲线，并取10s内的平均值计算不同电压下膜电极上的电流密度值，

利用图8D的标准曲线可以计算得到不同电压下的Pt载量。图9A/B以1#MEA和2#MEA为例展示了该过程。同时在

所有测试结束后利用ICP-OES对2片膜电极的真实载量进行了测试（1#MEA：0.144mg/cm2，2#MEA：0.235mg/cm2）。

随后研究人员还对多片膜电极进行测试，结果发现电压越高，计算结果越靠近真实值。这是由于电压越高，测试到

的电流对Pt载量（即电阻）的相应敏感度越高（图8C）

　　图9.(A)1#MEA和(B)2#MEAPt载量测试结果