高精度实验室压机或热压机是连接松散组件与功能性、高性能气体扩散电极 (GDE) 的关键制造桥梁。通过施加均匀的压力和受控的温度，压机将催化剂层、气体扩散层 (GDL) 和集流体熔合在一起，形成一个坚固的集成复合材料。
该设备的重要性在于其能够工程化微观界面。精密压制是同时降低界面电阻并保持高效二氧化碳还原所需的特定孔隙结构的最可靠方法。
力学与电化学之间的关键联系
实现稳健的复合材料形成
GDE 是由不同层组成的组件：催化剂、扩散介质和集流体。
如果没有显著、均匀的压力，这些层将保持机械上的分离。
高精度压机将这些组件压合在一起，形成一个统一的复合材料。这可以防止在电极浸入电解液并承受气体流动的操作过程中发生分层。
最小化界面电阻
为了发生 CO2 还原，电子必须以最小的能量损失从集流体传输到催化剂位点。
层与层之间的松散接触会产生高“界面电阻”，成为电子流动的瓶颈。
通过施加精确的压力（通常结合加热），压机最大化了电极材料与集流体之间的物理接触面积。这显著降低了电阻，提高了系统的整体能源效率。
确保均匀的电流分布
在电化学反应中，一致性至关重要。
如果电极压制不均匀，某些区域的接触会比其他区域更好。这会导致出现“热点”，即电流密度异常高。
热点会加速退化，并导致表面反应速率不均匀。精密压机可确保压力完美分布，从而实现均匀的电流密度和可靠的长期运行。
优化微观结构
保持孔隙结构的连续性
气体扩散电极中的“扩散”至关重要。CO2 气体必须能够通过开放的孔隙到达催化剂位点。
然而，这些层也必须被压缩到足以导电的程度。
高精度压机可帮助您找到精确的平衡点。它可保持一致的内部孔隙结构，确保压缩不会压垮气体传输所需的通道。
颗粒排列的可重复性
在微观层面，压机决定了催化剂颗粒和粘合剂如何重新排列。
适当的压力应用可消除可能破坏性能的不必要的内部微孔隙。
通过控制此变量，您可以确保生产的每批电极都具有相同的渗透性和结构完整性，这对于有效的实验比较至关重要。
理解权衡
过度压缩的风险
压力越大不一定越好。
如果压力设置过高，您可能会压碎气体扩散层的多孔结构。
这会导致“淹没”或气体饥饿，此时 CO2 在物理上无法到达催化剂，即使导电性良好，电极也变得无用。
压缩不足的风险
相反，压力不足则无法将催化剂粘合到基材上。
这会导致高接触电阻和差的机械稳定性。
压缩不足的电极通常会迅速失效，因为催化剂层形成了一个薄弱的界面，在气体逸出应力下会脱落。
根据您的目标做出正确的选择
为了在 CO2 还原实验中取得最佳结果，请根据您的具体目标调整压制参数：
- 如果您的主要关注点是能源效率：优先考虑更高的压力（在限度内），以最大化接触面积并最小化欧姆损耗（电阻）。
- 如果您的主要关注点是传质（高电流密度）：使用中等、高度受控的压力来保持开放的孔隙体积，以实现最大的气体渗透性。
压制阶段的精度是确保您的电极结构支持其电化学功能的决定性因素。
总结表：
| 参数 | 对 GDE 性能的影响 | 设置不当的风险 |
|---|---|---|
| 压力均匀性 | 确保电流密度一致并防止热点 | 局部退化和反应速率不均匀 |
| 界面接触 | 最小化电阻以提高能源效率 | 高欧姆损耗和差的机械稳定性 |
| 孔隙结构 | 保持 CO2 气体渗透性和传质 | 过度压缩导致淹没；压缩不足导致分层 |
| 热量控制 | 将催化剂、GDL 和集流体熔合为坚固的复合材料 | 在流动条件下结合不完全或结构失效 |
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参考文献
- Qianwen Li, Xiangwen Liu. Catalyst design for the electrochemical reduction of carbon dioxide: from copper nanoparticles to copper single atoms. DOI: 10.20517/microstructures.2024.69
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
