利来国际生物医疗领域应用专题|生物催化剂油墨的状态与稳定性

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摘要：催化剂层作为催化剂包覆膜的关键成分，是聚合物电解质膜燃料电池的核心。为了确保生物催化剂的最佳性能，设计合理的催化剂层结构和功能极为重要。因此，催化剂层的前体需要经过调整，并应用于膜上形成包覆膜，以便于大规模生产。催化剂油墨良好的分散特性是实现这一目标的重要前提。

一、生物催化剂的介绍

在生物医疗研究的历史中，生物催化剂因其高能效、高功率密度、低操作温度和优良的耐久性而备受关注。聚合物电解质膜生物催化剂在能量转换方面展现出极高的潜力，成为内燃机替代品的一项重要技术。催化剂作为包覆膜的活性成分，是聚合物电解质膜的关键。为了获得最佳性能，设计适宜的催化剂层结构与功能至关重要。

膜电极组件是生物催化剂的核心，通常由阳极和阴极催化剂层、聚合物电解质膜以及气体扩散层组成。催化剂层是关键的氧化还原反应和氢氧化反应的发生地。特别是阴极催化层，其优化是提升生物催化剂性能及降低成本的关键。因此，许多研究集中在优化催化剂涂层及膜电极组件布局上。

高功率密度的生物催化剂阴极通常由炭黑构成的催化剂油墨制成，形成一个高表面积的骨架，并用铂粒子作为电催化剂进行装饰。生物催化剂油墨通常以液体分散，但在实际操作中，油墨最终会作为涂层应用于基体或膜上。阴极催化层中的催化剂粉末在含有溶剂和聚合物的连续相中充分分散。

喷墨打印技术相比传统的超声波喷涂、刮涂及对滚卷涂层等方式具备一定技术优势，成功应用于生物催化剂的制造流程中。因此，该过程中油墨的性能显得尤为重要，因为碳材料本身具有较强的团聚倾向，分散不良的油墨可能导致聚集及团聚体的形成，从而在快速干燥过程中引发无序和控制不良的层。此外，聚集体可能导致喷嘴的堵塞。

二、实验

样品配置方法：第一种油墨使用磁力搅拌器以500rpm混合24小时（油墨样品MS）。第二种油墨使用超声波浴混合30分钟（油墨样品UB）。第三组油墨经过30分钟的超声浴，再进行10分钟的探针超声，振幅为20%（UB+S20）。第四种油墨在超声浴30分钟后，再进行10分钟的探针超声，振幅为70%（UB+S70）。

稳定性分析：采用波长为870nm的光源进行测试。转子转速为4000rpm（底部为2300g）。每次测量包括333个剖面图，每175秒记录一次，总离心时间为16小时。为了验证重现性，每种分散方法在不同天数内制备了3种不同的油墨样品（共12个样本），并重复测量三次。第一条轮廓为紫色，最后一条轮廓为黄色。

由于所有剖面均被绘出，只有快速沉淀的不分散样本例外，因此谱线间距非常接近。在所有情况下，沉淀实验的早期与末期后续剖面之间的距离均非常窄。这导致曲线形成了紧凑的紫色和靛蓝片段（实验开始阶段），以及绿色和黄色片段（实验结束阶段）。半月板前的传输值显示通过比色管的透过率为80%。各样品在比色管填充高度上的透过率分别增加，说明发生了完全沉淀。

三、设备介绍

设备：德国LUM LumiSizer的原理是通过STEP（Space-Time Extinction Profiles）技术，将装有样品的管置于平行的单色短脉冲光束中，通过CCD检测器实时监控样品透光率的变化。通过加速离心的方式物理加速样品，迅速且有效地测试样品的稳定性，最高可实现2300倍的重力加速度。无需稀释或了解样品成分，仅需放入样品即可观察整个样品的指纹图谱，分析其不稳定性（如分层、沉降或絮凝）并进行分类与理解，得出稳定性排序。同时可在同一时间测试最多12个样品，具备广泛的适用性和高效性。

应用：此设备可用于分析整体稳定性（包括不稳定性指数、指纹图谱、迁移速率、界面追踪等），判断配方和工艺制备后体系稳定性是否符合预期要求。在研发阶段，快速分析不同配方的稳定性，有助于加速优化配方体系，提升研发效率。同时在生产阶段，成品的稳定性直接影响大规模量产的可行性。因此，通过物理加速及温控可有效预估长期稳定性。

综合上述，利来国际在生物催化剂领域的研究与应用不断推进，通过优化催化剂油墨的性能与稳定性，促进相关技术的进步与成果的转化。