活性层（AL）针对电化学反应进行优化，而气体扩散层（GDL）针对气体传输和电解液管理进行优化。 AL通常由ORR/OER催化剂、导电碳和约10–30%的PTFE粘结剂组成，并通过受控的部分润湿形成催化剂–氧气–电解液三相界面。GDL使用多孔导电碳，并含有更高比例的PTFE，通常为30–70%，以保持强疏水性、防止淹没，并维持从空气侧进入的氧气通道。
核心设计原则是润湿性梯度：AL必须充分润湿以实现离子接触，同时保持气体渗透性；而GDL必须排斥电解液，同时允许氧气快速传输。制造过程必须通过均匀混合、均匀涂覆、受控孔隙率以及精确施压来保持这一梯度。
活性层与GDL的区别
活性层：反应区域
AL面向碱性电解液，包含主要的ORR和OER催化剂、导电添加剂（如炭黑或碳纳米管）以及聚合物粘结剂，通常为PTFE。
其结构必须同时提供以下通道：
- 用于氧反应的催化剂活性位点。
- 通过碳网络和集流体实现的电子传导。
- 通过电解液渗透实现的离子传导。
- 放电期间输送氧气以及充电期间排出析出氧气的气体传输。
因此，AL需要部分润湿，而不是完全亲水。过度润湿会阻塞气体通道，而过度疏水则可能使催化剂活性位点与电解液隔绝。
气体扩散层：传输与阻隔区域
GDL面向环境空气，为AL供应氧气。它通常由导电多孔碳与较高比例的PTFE组成。
其主要功能包括：
- 保持氧气扩散的开放通道。
- 抵抗碱性电解液的渗透。
- 减少电解液蒸发和不受控的干燥。
- 为活性层提供机械支撑。
- 在充电过程中释放生成的氧气，同时避免结构失效。
GDL必须保持多孔且强疏水。即使材料具有化学稳定性，致密或连接不良的孔结构仍会降低氧气传输。
材料组成要求
AL中的催化剂和导电添加剂
AL需要催化剂和导电剂均匀分布。催化剂提供ORR/OER活性，而炭黑或碳纳米管形成电子渗流网络。
导电相必须充分分散，以避免催化剂区域彼此孤立。然而，过量碳可能增加寄生腐蚀风险，尤其是在碱性工作条件下，ORR生成的过氧化物中间体可能攻击碳材料。
AL中的粘结剂含量
AL通常以约10–30%的PTFE含量作为起始范围。粘结剂提供内聚力并有助于形成疏水性，但PTFE过多会覆盖催化剂活性位点、降低离子接触并阻碍气体传输。
适当数值取决于催化剂类型、碳材料形貌、溶剂体系、涂层厚度和目标孔隙率。因此，上述范围应视为研究配方窗口，而不是普适规格。
GDL中的碳和PTFE
GDL通常以导电碳作为多孔结构骨架，并使用较高比例的PTFE，约为30–70%，以建立所需的疏水性。
较高的粘结剂含量有助于防止电解液淹没并保持尺寸稳定性。但如果含量过高，也会减少孔体积或缩小孔喉，因此GDL必须同时针对疏水性和气体渗透性进行设计。
集流体与层间集成
镍网或其他耐腐蚀集流体可用于支撑电极并提供电子传导。AL必须与该集流体形成可靠的电接触，同时不能封闭孔网络。
AL和GDL应形成机械上连贯的多层结构，但各自的孔隙和润湿性特征必须保持差异。过度集成可能破坏反应功能与气体传输功能之间原本设计的分工。
活性层的加工要求
浆料均匀混合
AL浆料必须实现催化剂、导电碳和PTFE的均匀分散。混合不充分会产生富催化剂区和富粘结剂区，导致局部电导率、润湿性和反应速率出现差异。
应持续控制混合条件，因为碳材料形貌和PTFE分布会显著影响最终孔结构。目标不仅是获得平滑浆料，更是要在干燥和压制后形成可重复的网络。
均匀涂覆
AL应采用受控厚度和面载量进行涂覆。不均匀的涂层可能产生电阻过高或催化剂库存不足的区域。
涂覆过程还必须在避免完全堵塞集流体开口的同时，保持与集流体的电接触。最终表面应支持电解液接触，同时避免被电解液填满并变得不透气。
干燥和粘结剂分布
干燥条件会影响溶剂去除、粘结剂迁移、开裂和孔隙形成。快速或不均匀的干燥可能在电极厚度方向形成梯度。
干燥后的AL应保留相互连通的电子通道和气体通道。过多的粘结剂向表面迁移可能形成致密阻隔层，并降低催化剂活性位点的可用性。
GDL的加工要求
受控疏水处理
PTFE必须在GDL中充分分布，以排斥电解液，但分布不能过于不均匀，否则某些区域会发生淹没，而另一些区域则可能阻碍气体传输。
最终层应在朝向电解液的一侧形成稳定的疏水屏障，同时保留相互连通的孔道以供氧气移动。这种平衡对于防止淹没和电解液接触不足都至关重要。
孔隙率和孔径控制
GDL必须保持足够开放，以实现快速氧气传输。其孔结构应防止液态电解液深入渗透，同时允许气态氧气到达AL。
一种有效的设计通常包含润湿性和孔径梯度：面向电解液的区域支持受控的界面接触，而面向空气的区域提供更强的疏水性和气体通道。
层间粘接
GDL必须牢固粘附于AL和集流体。粘接不牢可能导致循环过程中分层，而过大的粘接压力则可能压塌孔隙并增加气体传输阻力。
目标是形成机械稳定的界面，同时不消除任一层的功能性孔隙率。
压制和制造控制为何重要
压制必须保持孔隙率
热压可改善层间粘附并降低界面电阻。然而，必须控制压力和温度，因为过度压实会压塌孔隙、降低气体渗透性，并改变预期的润湿性梯度。
压制不足会造成界面薄弱、电接触不良以及分层通道。因此，正确的工艺需要在内聚力和孔隙保持之间取得平衡。
充电过程中的机械阻力
OER会在多孔电极内部或附近产生氧气。局部压力升高可能使多层结构承受应力，并导致开裂、破裂或分层。
因此，AL–GDL组件必须具备足够的机械强度，同时保留足够的开放体积以释放气体。这也是实验室电池制造中精确热压和受控层间粘附十分重要的原因之一。
可重复性是核心要求
如果不同样品之间的电极厚度、PTFE分布、孔隙率、压缩程度或催化剂载量存在差异，研究结果对比就不可靠。
实验室制造应控制浆料组成、混合历史、涂覆方法、干燥曲线、压制条件和最终厚度。这些参数对测得的过电位的影响可能与标称催化剂种类一样显著。
理解权衡关系
增加PTFE可提高抗淹没能力，但可能降低活性
增加PTFE通常会改善疏水性和耐电解液性，尤其是在GDL中。然而，在AL中，PTFE过多会降低电解液渗透、覆盖催化剂活性位点并阻碍氧气传输。
因此，AL和GDL不应采用相同的粘结剂配方。它们不同的PTFE范围反映了不同的功能要求。
提高压缩程度可改善接触，但会限制气体流动
压制可以改善层间的电接触和机械接触。压缩过度会减少孔体积，并可能增加氧气传输阻力。
压缩程度应根据电极的孔结构进行优化，而不应单纯为了机械强度而最大化。
增加碳含量可改善导电性，但会增加降解风险
导电碳支持电子传输并形成多孔骨架。在工作条件下，尤其是在ORR过氧化物中间体和OER高电位的作用下，导电碳也可能易于氧化或腐蚀。
因此，材料选择应同时考虑初始导电性和长期电化学稳定性。
环境条件会改变电极行为
二次锌空气电池对水分平衡和大气中的CO₂较为敏感。干燥条件可能导致电解液损失和界面接触不良，而潮湿条件可能促进淹没。
碱性电解液吸收CO₂后会形成碳酸盐物种，从而增加黏度、降低离子电导率并堵塞电极孔隙。因此，环境控制是电极评估的一部分，而不仅仅是测试便利条件。
根据目标做出正确选择
最有用的配方是能够同时保持所需反应、传输和机械功能的配方。
- 如果您的主要关注点是ORR/OER活性：优先选择均匀的AL，其中包含分散良好的催化剂和导电碳，并仅使用足量的PTFE（通常约为10–30%）来提供内聚力和受控的部分润湿。
- 如果您的主要关注点是抗淹没能力：使用疏水性更强的多孔GDL，并采用较高的PTFE含量（通常约为30–70%），同时确认氧气传输仍然充足。
- 如果您的主要关注点是循环寿命：应优化层间粘附、孔隙保持能力以及抵抗气体引起机械应力的能力，而不是仅仅最大化催化剂载量。
- 如果您的主要关注点是可重复的研究数据：应在所有电极之间统一浆料混合、涂覆、干燥、压制、厚度、孔隙率和环境测试条件。
可靠的双功能空气电极利用AL实现受控的三相电化学反应，并利用GDL实现持久、疏水的氧气传输。
汇总表：
| 参数 | 活性层（AL） | 气体扩散层（GDL） |
|---|---|---|
| 主要功能 | ORR/OER反应区域 | 氧气传输和电解液阻隔 |
| 催化剂 | ORR/OER催化剂（例如Pt、IrO2、MnO2） | 无（导电碳） |
| 导电添加剂 | 炭黑、碳纳米管 | 多孔导电碳 |
| PTFE粘结剂含量 | 10–30% | 30–70% |
| 润湿性 | 部分润湿（亲水性和疏水性并存） | 强疏水性 |
| 孔隙率 | 中等，相互连通的孔隙 | 用于气体扩散的高开放孔隙率 |
| 加工重点 | 均匀浆料、均匀涂覆、受控干燥 | PTFE分布、孔径控制、层间粘接 |
| 关键权衡 | 高活性与气体传输之间的平衡 | 抗淹没能力与气体渗透性之间的平衡 |
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