燃料电池膜电极组装件的制作方法

本公开涉及配置为在保持燃料电池反应物和产物的可输送性的同时减轻催化剂溶出的燃料电池膜电极组装件。

背景技术：

燃料电池已表现出成为车辆和其它运输应用的替代动力源的希望。燃料电池用可再生能源载体，如氢气运行。燃料电池的运行也没有有毒排放物或温室气体。单个燃料电池包括膜电极组装件(mea)和两个流场板。单个燃料电池通常输出0.5至1.0v。可将单个燃料电池堆叠在一起以形成具有更高电压和功率的燃料电池堆。由于燃料电池堆中的材料的相对高成本，燃料电池技术的应用有限。在燃料电池堆的总成本中占据显著份额的材料之一是催化剂材料，如铂催化剂材料。催化剂材料的耐久性影响燃料电池技术的总成本。

技术实现要素：

根据一个实施方案，公开了燃料电池膜电极组装件，其包括聚合物电解质膜(pem)和第一和第二电极。pem位于第一和第二电极之间。第一电极包括第一催化剂材料层，其包含第一催化剂材料并具有第一和第二表面。第一电极包括分别与第一催化剂材料的第一和第二表面相邻的第一和第二材料层。第一材料层背向pem且第二材料层面向pem。第一材料层包含具有若干缺陷的石墨烯基材料层，所述缺陷配置为减轻第一催化剂材料经过第一材料层的溶出。

根据另一实施方案，公开了燃料电池膜电极组装件。所述燃料电池膜电极组装件包括聚合物电解质膜(pem)和第一和第二电极。pem位于第一和第二电极之间。第一电极包括第一催化剂材料层，其包含第一催化剂材料并具有第一和第二表面。第一电极包括分别与第一催化剂材料的第一和第二表面相邻的第一和第二石墨烯基材料层。第一石墨烯基材料层背向pem且第二石墨烯基材料层面向pem。第一石墨烯基材料层具有第一数量的缺陷且第二石墨烯基材料层具有第二数量的缺陷。第一数量大于第二数量。

根据再一实施方案，公开了燃料电池膜电极组装件。所述燃料电池膜电极组装件包括聚合物电解质膜(pem)和第一和第二电极，第一和第二电极包含第一和第二主体材料。pem位于第一和第二电极之间。第一主体材料包含分散在其中的第一数量的催化剂单元。各个催化剂单元由包含催化剂材料并具有第一和第二表面的催化剂材料层和分别与催化剂材料层的第一和第二表面相邻的第一和第二材料层组成。各个催化剂单元的第一材料层由具有若干缺陷的石墨烯基材料层组成，所述缺陷配置为减轻催化剂材料经过石墨烯基材料层的溶出。

附图说明

图1描绘了燃料电池的示意性侧视图。

图2描绘了配置为用作燃料电池的阴极和/或阳极的电极的示意性侧视图。

图3描绘了配置为用作燃料电池的阴极和/或阳极的电极的示意性侧视图。

图4描绘了配置为用在燃料电池的阴极和/或阳极中的催化剂单元的示意性顶视图。

图5描绘了配置为用在燃料电池的阴极和/或阳极中的催化剂单元的示意性顶部透视图。

图6描绘了配置为用在燃料电池中的膜电极组装件的示意性侧视图。

图7描绘了配置为用在燃料电池中的膜电极组装件的示意性侧视图。

具体实施方式

在本文中描述了本公开的实施方案。但是，要理解的是，所公开的实施方案仅是实例并且其它实施方案可呈现各种替代形式。附图不一定按比例；一些特征可能放大或最小化以显示组件的细节。因此，本文中公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而是仅作为教导本领域技术人员以各种方式利用实施方案的代表性基础。如本领域普通技术人员所理解，参照任一附图图解和描述的各种特征可与一个或多个其它附图中图解的特征组合以得出没有明确图解或描述的实施方案。所图解的特征的组合提供了典型应用的代表性实施方案。但是，应用或实施可能需要与本公开的教导相符的特征的各种组合和修改。

除了在实施例中或在另行明示之处外，本说明书中指示材料量或反应条件和/或使用条件的所有数值量应被理解为被词语“大约”修饰以描述本发明的最宽泛范围。通常优选在所述数值界限内实施。此外，除非明确作出相反的指示，百分比、“份数”和比率值按重量计；术语“聚合物”包括“低聚物”、“共聚物”、“三元共聚物”等；一组或一类材料被描述为适合或优选用于与本发明相关的给定目的意味着该组或该类的任何两个或更多个成员的混合物同样合适或优选；为任何聚合物提供的分子量是指数均分子量；以化学术语描述成分是指在添加到说明书中规定的任何组合中时的成分，并且不一定排除一经混合后混合物的成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其它缩写词的首次定义适用于相同缩写词在本文中的所有后续使用并且加以必要修改用于最初定义的缩写词的正常语法变型；并且除非明确作出相反的指示，性质的测量是通过与之前或之后对相同性质提到的相同技术来测定的。

本发明不限于下述具体实施方案和方法，因为具体组分和/或条件当然可变。此外，本文所用的术语仅用于描述本发明的实施方案并且无意以任何方式构成限制。

除非文中清楚地另行指明，说明书和所附权利要求书中所用的单数形式“一个”、“一种”和“该/所述”包含复数对象。例如，以单数形式提到一组分意在包括多个组分。

术语“基本”在本文中可能用于描述所公开的或请求保护的实施方案。术语“基本”可能修饰本公开中公开的或请求保护的数值或相对特征。在这样的情况下，“基本”可意味着其修饰的数值或相对特征在该数值或相对特征的±0%、0.1%、0.5%、1%、2%、3%、4%、5%或10%内。

由于不断增长的二氧化碳排放和运输行业当前对不可再生的化石燃料作为能源载体的依赖性相对高，对开发和商业化使用清洁和可持续能源的运输技术的需求日益增长。一种有希望的技术是燃料电池。燃料电池使用来自空气的氧气和压缩氢气作为燃料源，同时仅排放水和热。燃料电池的广泛运用将会减少二氧化碳排放。但是，广泛运用要求进一步的技术发展。一个进一步的技术发展领域是改进燃料电池中的催化剂材料的耐久性。

催化剂材料包含在燃料电池的阳极和阴极的催化剂层中。铂催化剂常用作阳极和/或阴极的催化剂材料。铂催化剂发生溶出和pt²⁺离子从催化剂层向燃料电池中的其它组件，如聚合物电解质膜(pem)迁移。燃料电池中的一种催化剂降解途径涉及在高工作电位（例如高于大约0.6、0.7和0.8伏vs标准氢电极(she)）下的pt溶出。在另一催化剂降解途径中，燃料电池达到甚至高于0.8伏的电位（例如高达大约2伏）。这可能由于不稳定运行、碳腐蚀和/或在启动和停机过程中的气体不足（gasstarvation）而发生，其中催化剂和其它燃料电池组件的降解可能加速。当燃料电池催化剂的电化学活性表面积（ecsa）逐渐减少时，可能发生氧还原（orr）活性的大幅降低。此外，溶解的催化剂金属离子可能朝其它燃料电池组件，例如聚合物电解质膜(pem)迁移，以致可能加速pem降解。

需要在保持铂催化剂的有益催化活性的同时减少溶出和减慢迁移的解决方案。本公开的方面涉及使用缺陷型石墨烯基材料作为电极的一部分以提高催化剂材料的耐久性，例如减少溶出和减慢迁移。本公开的方面使用杂化石墨烯-催化剂体系通过受控的原子和分子界面以抑制催化剂在pem燃料电池环境中的金属溶出。缺陷型石墨烯基材料的使用维持电化学表面活性面积（esca）和/或减轻pem降解，由此延长燃料电池堆在给定催化剂材料载量下的寿命。

图1描绘了燃料电池10的示意性侧视图。可堆叠燃料电池10以制造燃料电池堆。燃料电池10包括聚合物电解质膜（pem）12、阳极14、阴极16和第一和第二气体扩散层（gdl）18和20。pem12位于阳极14和阴极16之间。阳极14位于第一gdl18和pem12之间，且阴极16位于第二gdl20和pem12之间。pem12、阳极14、阴极16和第一和第二gdl18和20构成膜电极组装件（mea）22。mea22的第一和第二面24和26分别被流场28和30限定。流场28如箭头32所示向mea22供应h2。流场30如箭头34所示向mea22供应o2。在阳极14和阴极16中使用催化剂材料，如铂。催化剂材料通常是mea22的最昂贵成分。

图2描绘了配置为用作燃料电池10的阳极14和/或阴极16的电极50的示意性侧视图。电极50包括第一和第二石墨烯基材料层52和54和催化剂材料层56。催化剂材料层56位于第一和第二石墨烯基材料层52和54之间。催化剂材料层56的至少一个表面可部分或完全被石墨烯基材料涂覆。

层52和54的石墨烯基材料可包含石墨烯、氧化石墨烯(go)、还原氧化石墨烯(rgo)及其组合。石墨烯基材料还可包含在燃料电池10的运行中捕获溶出的金属离子的其它材料。石墨烯基材料可含有氧官能团，如环氧基(-o-)、羰基(=o)、羧基(-cooh)和/或羟基(-oh)以进一步优化pt、h2、o2和h2o的输送和扩散。在一个实施方案中，可通过hummer法获得不同的石墨烯和氧化石墨烯。石墨烯基材料可包含显著量的能够捕获溶出的金属离子的材料。显著量可以是任何下列值或在任何两个下列值的范围内：70、75、80、85、90、95和100%。其余量可部分包括非晶和/或结晶石墨烯材料。在一个实施方案中，第一和/或第二石墨烯基材料层52和54可包含比非晶石墨烯材料多的结晶石墨烯材料。结晶石墨烯材料是sp²型碳，其在燃料电池10的运行过程中的启动/停机过程中的腐蚀性小于非晶碳，非晶碳主要是sp³型碳。石墨烯基材料可通过阳离子或阴离子掺杂而进一步官能化。在另一实施方案中，石墨烯基材料可包含配置为优化pt、h2、o2和h2o的选择性扩散的碳化物材料、氮化物材料或氟化物材料。石墨烯基材料涂层还可提供对hf和/或so3^-侵袭的物理屏障以进一步防止pemfc降解。

在另一实施方案中，石墨烯基材料可由sp²型碳原子的单层或2至5个层组成。非晶碳，例如sp³型也可能存在。sp²型碳原子与sp³型碳原子的比率可基于燃料电池的运行条件。

石墨烯基材料可以是以平面取向施加的石墨烯片材。石墨烯基片材可包括单个石墨烯单层。在另一些实施方案中，石墨烯基片材中的石墨烯单层数可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15。石墨烯基材料可配置为减轻电极50中的催化剂材料的降解。pt降解的减轻可提供一个或多个下列益处：(1)减少ecsa损失，和(2)防止pt²⁺离子迁移到pem12与电极50之间的界面或迁移到pem12中，由此抑制pem降解。

石墨烯基材料的添加可由于催化剂层的电导率提高而增强电子传送。在一个实施方案中，第一和第二石墨烯基材料层52和54可与催化剂材料层56直接接触。在另一实施方案中，第一和第二石墨烯基材料层52和54松散结合，例如距催化剂材料层56一定的短距离。该短距离可以是任何下列值或在任何两个下列值的范围内：0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、4.0和10nm。当pt电离成pt²⁺(水溶液)并溶出到溶液中时，石墨烯基材料涂层可捕获溶出的pt物类。

可使用各种方法将石墨烯基材料涂覆到催化剂材料层56的一个或两个表面上。可在电极50的合成过程中或在电极50制成后，以薄膜形式或经由分散体（例如使用石墨烯墨水）将石墨烯基材料沉积到催化剂材料层56上。石墨烯可以是片材、薄片、粉末和/或其组合的形式。可使用固态、溶液基或沉积技术制造经涂覆的电极，接着在氧化剂或还原剂（例如空气、o2、n2、ar、h2或其混合物）存在下进行二次热处理。可使用化学气相沉积（cvd）在金属箔上生长石墨烯基材料膜，接着用有机溶剂清洁和在施加的电压下用酸电解抛光。此后，可冲洗该材料并在炉中在还原环境（例如使用ar:h2气体混合物）下热处理以使石墨烯生长。在cvd生长后，可将该样品与聚合物（例如聚(甲基丙烯酸甲酯)（pmma））合并，接着蚀刻或冲洗。可将该复合膜转移到催化剂材料层56上。

在另一实施方案中，可在除金属箔外的厚金属基底上生长单层或数层石墨烯膜。石墨烯膜可具有通过使用旋涂、浸涂或其它涂覆法在石墨烯上添加聚合物膜层而提供的机械支撑。可使用电化学浴湿法从金属基底上移除石墨烯/聚合物膜堆叠体并可转移到催化剂基底上。一旦将石墨烯/聚合物膜堆叠体施加到催化剂基底上，可通过湿化学或干法等离子体蚀刻法移除聚合物载体。在将石墨烯沉积到金属基底上之前可能需要清洁过程。在移除聚合物之后可能需要附加的清洁过程以获得高品质石墨烯-金属催化剂复合材料。对于转移过程，起始金属基底的平滑度和结晶度将决定预期石墨烯缺陷程度。在转移过程完成后，下方的催化剂金属（例如纳米粒子）的粗糙度将是对最终石墨烯缺陷程度的主要影响因素。

在一个实施方案中，石墨烯基材料的形状依循催化剂材料层的表面的轮廓，例如铂纳米粒子的粗糙度。石墨烯基材料缺陷量、石墨烯基材料起皱的形状和第一和/或第二石墨烯基材料层52和54与催化剂材料层56之间的界面的形状可能导致不同的表面形态，其取决于催化剂材料层56的表面粗糙度。取决于缺陷数、石墨烯基材料层形状和界面形状、起皱和/或石墨烯缺陷数量，可进行若干活化周期以使h2、o2和h2o能够适当扩散和相对快速运输，从而达到所需氧还原反应（orr）活性。

可使用各种方法将其它二维层状结构化材料涂覆到催化剂材料层56的表面上。其它二维层状结构化材料的非限制性实例包括石墨炔、硼烯（borophene）、锗烯（germanene）、有机硅、si2bn、锡炔（stanine）、磷烯（phosphorene）、铋烯（bismuthene）、辉钼矿以及过渡金属二硫族化物（tmdc）（例如mos2、wse2、hfs2等）、通式mn+1xntx的层状过渡金属碳化物和碳氮化物（mxene），其中m代表过渡金属（例如ti、mo、w、nb、zr、hf、v、cr、ta和sc），x代表碳和/或氮，且tx代表表面终端（例如=o、-oh或-f），及其组合。其它二维层状结构材料可用于替代电极催化剂层涂层中的全部或部分石墨烯基材料。

层56的催化剂材料可以是纯pt、pt-m合金（其中m是来自周期表的另一金属）、其它铂族成员(pgm)金属（例如ru、rh、pd、os或ir）、ag、au、cu、fe、mn、ni、co、w、mo、sn、ti、pgm-m、pt-pgm-m或它们的组合或合金。催化剂材料层56的厚度可取决于满足不同燃料电池规格和/或尺寸所需的催化剂载量而变。如图2中描绘的金属催化剂层的厚度(t)可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和20nm。层56的催化剂材料可以是纳米结构化的催化剂材料，由此提供增加的可及电化学活性表面积（ecsa）。增加的ecsa使得所用的每单位质量的催化剂材料产生较高催化。

第一石墨烯基材料层52包含缺陷58和60。第二石墨烯基材料层54包括缺陷62、64和66。缺陷58、60、62、64和/或66可配置为(1)捕获从催化剂材料层56溶出的金属离子（例如pt²⁺(水溶液)离子），和/或(2)为燃料电池反应物（例如h2、o2和/或h2o）提供扩散路径（例如通道）。缺陷58、60、62、64和/或66可显著增强原始石墨烯中的弱结合能。

缺陷的非限制性实例包括单空位(mv)、双空位(dv)、三空位(tv)、四空位(qv)、石墨烯空穴、stone-wales(sw)缺陷和/或常见的氧官能团，如羟基(-oh)、环氧基(-o-)、羰基(=o)和/或羧基(-cooh)。制造这些缺陷的方法的非限制性实例包括合成方法、退火方法和离子轰击。在另一实施方案中，石墨烯缺陷可以是空穴。可实现更多碳原子的脱除（例如制造更大的空位）以重排缺陷型石墨烯结构。

第一或第二石墨烯基材料层的每单位体积的缺陷数可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12和13%。每单位体积的缺陷数可取决于燃料电池10的寿命要求和/或运行条件而变。作为非限制性实例，如果要求燃料电池10在高于大约0.6、0.7或0.8vrhe的相对高电位（或导致燃料电池的电位突增的任何其它非稳态条件）下运行，更多的缺陷可能是必要的，以捕获在降解过程中从催化剂材料层56溶出的金属离子。回到图1，第一和/或第二石墨烯基材料层52和54可在金属离子、h2、o2和h2o之间具有不同的选择性。在一个实施方案中，第二石墨烯基材料层54可以是催化剂材料层56的载体材料，且第一石墨烯基材料层52可配置为捕获溶解的金属离子和/或为燃料电池反应物提供扩散路径（例如通道）。在这一实施方案中，在第二石墨烯基材料层54中可能需要比第一石墨烯基材料层52中少的缺陷。

图3描绘了配置为用作燃料电池10的阳极14和/或阴极16的电极100的示意性侧视图。电极100包括第一和第二石墨烯基材料层102和104和催化剂材料层106。催化剂材料层106位于第一和第二石墨烯基材料层102和104之间。第一石墨烯基材料层102包括缺陷108和110。第二石墨烯基材料层104包括缺陷112、114和116。缺陷108、110、112、114和/或116可配置为(1)捕获从催化剂材料层56溶出的金属离子（例如pt²⁺(水溶液)离子），和/或(2)为燃料电池反应物（例如h2、o2和/或h2o）提供扩散路径（例如通道）。如图3中描绘的金属催化剂层的厚度(t)可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和20nm。

催化剂材料层106具有与催化剂材料层56相比降低的催化剂载量，由此在催化剂材料层106内引入空隙空间，如图3中所示的空隙空间118、120和122。在一个实施方案中，可通过金属催化剂纳米粒子之间的表面张力形成空隙。在另一实施方案中，石墨烯基材料可在均化器中在相对高的rpm下均化。可如图3中所示形成相对较大的空隙。各空隙空间的体积可独立地选自任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：1nm³、50nm³、100nm³、200nm³、500nm³、750nm³和1µm³。空隙空间与催化剂材料占据的体积的百分比可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：25%、30%、40%、50%和60%。

在一个或多个实施方案中，一个或多个空隙空间为燃料电池反应物（例如h2、o2和/或h2o）提供扩散路径（例如通道）。空隙空间可允许金属催化剂再沉积。空隙空间也可将催化剂材料层106与第一和第二石墨烯基材料层102和104之间的界面塑形为具有降低的界面阻力。由于空隙空间，第一和第二石墨烯基材料层102和104在一定次数的燃料电池运行后可能起皱（例如在空隙空间上方或下方的区域中石墨烯基材料层的形状改变）。运行次数可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：2000、2500、3000、3500和4000。在一个实施方案中，一个或多个空隙空间可被一种或多种非催化剂材料的导电剂填充。其它导电剂可包括非晶炭黑和/或导电聚合物。

电极100还包括第一和第二开口124和126。开口124和126可配置为提供燃料电池反应物（例如h2、o2和/或h2o）的扩散路径（例如通道）。在相对高的电位下运行燃料电池10的同时，溶出金属离子形式的一些催化剂材料可能经第一和第二开口124和126中的一个或多个损失。但是，一般而言，如通过溶出的金属离子119描绘，由于溶出的金属离子与第一和第二石墨烯基材料层102和104之间的吸引力，金属离子（例如pt²⁺）的扩散相对慢得多。

电极50和/或100可作为薄膜型电极使用，其中将所述一种或多种石墨烯基材料转移或直接沉积到pt催化剂薄膜上。这种类型的薄膜配置的应用的非限制性实例包括移动应用、小功率电子应用、军事和/或航空航天应用。

图4描绘了配置为用在燃料电池10的阳极14和/或阴极16中的催化剂单元70的示意性顶视图。催化剂单元70包括第一和第二石墨烯基材料层72和74和催化剂材料层76。催化剂材料层76位于第一和第二石墨烯基材料层72和74之间。第一石墨烯基材料层72包括规则重复的石墨烯基材料，如区域78和80。阴影区域，如区域82和84描绘了基于氧官能化基团（例如-o-、=o、-cooh和-oh）的石墨烯基缺陷的形成。不包括规则重复的石墨烯基材料或基于氧官能化基团的石墨烯基缺陷的区域是空隙空间，如空隙空间86和88。空隙空间可以是空位和/或石墨烯空穴。

如图4中所示，催化剂单元70具有宽度90、长度92和厚度94。宽度90、长度92和厚度94各自可独立地基于pemfc的规格（例如堆大小、功率要求、运行方案等）而变。宽度90可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：10nm、100nm、1μm、10μm和100μm。长度92可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：10nm、100nm、1μm、10μm和100μm。厚度94可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和20nm。

图5描绘了配置为用在燃料电池10的阳极14和/或阴极16中的催化剂单元150的示意性顶部透视图。催化剂单元150包括石墨烯基材料层152和催化剂载体材料层154。催化剂材料层156位于石墨烯基材料层152和催化剂载体材料层154之间。石墨烯基材料层152包括规则重复的石墨烯基材料，如区域158和160。阴影区域，如区域162和164描绘了基于氧官能化基团（例如-o-、=o、-cooh和-oh）的石墨烯基缺陷的形成。不包括规则重复的石墨烯基材料或基于氧官能化基团的石墨烯基缺陷的区域是空隙空间，如空隙空间166和168。空隙空间可以是空位和/或石墨烯空穴。特定百分比可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：5%、10%、15%、20%和25%。

催化剂载体材料层154可由非晶碳材料（例如sp³型碳）、一种或多种金属氧化物（例如mox，其中m=ti、sn、w、mo、ge、ta等）或其组合形成。催化剂载体材料层154可比石墨烯基材料层152更靠近pem12。在另一实施方案中，催化剂载体材料层154可夹在第一和第二石墨烯基材料层之间并且石墨烯基材料的外表面与催化剂载体材料层154接触。

如图5中所示，催化剂材料层包括空隙空间，如空隙空间170和172。在一个或多个实施方案中，一个或多个空隙空间为燃料电池反应物（例如h2、o2和/或h2o）提供扩散路径（例如通道）。空隙空间也可将催化剂材料层106与第一和第二石墨烯基材料层152和154之间的界面塑形为具有降低的界面阻力。由于空隙空间，第一和第二石墨烯基材料层152和154在一定次数的燃料电池运行后可能起皱（例如在空隙空间上方或下方的区域中石墨烯基材料层的形状改变）。运行次数可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：2000、2500、3000、3500和4000。在一个实施方案中，一个或多个空隙空间可被一种或多种非催化剂材料的导电剂填充。其它导电剂可包括非晶炭黑和/或导电聚合物。

如图5中所示，催化剂单元150具有宽度174和长度176和厚度（未显示）。宽度174、长度176和厚度各自可独立地基于pemfc的规格（例如堆大小、功率要求、运行方案等）而变。宽度174可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：10nm、100nm、1μm、10μm和100μm。长度176可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：10nm、100nm、1μm、10μm和100μm。厚度可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：1、2、3、4、5、6、7、8、9、10和20nm。

电极50和/或100和催化剂单元70和150可使用化学合成法制造并随后加工成所需形状和尺寸。合适的化学合成法的非限制性实例包括聚焦离子束扫描电极显微镜（fib-sem）、电子束光刻法、激光刻写和照相平版印刷术。在另一些实施方案中，可使用溶液型或沉积法形成催化剂配置，直至获得所需尺寸和形状。关于后续成型和定尺步骤，可将催化剂配置成型为正方形、纳米线或条带。正方形的边长可为任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：10nm、100nm、1μm、10μm和100μm。条带的宽度可为任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：1、2、5、10或15μm。

图6描绘了配置为用在燃料电池，如燃料电池10中的mea200的示意性侧视图。mea200包括阴极202、pem204和阳极206。pem204位于阴极202和阳极206之间。pem204由形成离聚物网络205的离聚物形成。pem204配置为在提供电子绝缘体和燃料电池反应物（例如氧气和氢气）之间的屏障的同时传导质子。该离聚物可基于全氟磺酸。一个非限制性实例是可获自dupontcompany的nafion。

阴极202包含阴极主体材料208。催化剂单元70和/或150可分散在阴极主体材料208内。如图6中所示，阴极主体材料208是在催化剂单元70和/或150之间形成离聚物网络209的离聚物。阳极206包含阳极主体材料210。催化剂单元70和/或150可分散在阳极主体材料210内。如图6中所示，阳极主体材料210是在催化剂单元70和/或150之间形成离聚物网络211的离聚物。

阳极和/或阴极202和206可通过混合催化剂单元70和/或150与一种或多种离聚物形成。可在均化器中使用溶液型介质，例如浆料来混合催化剂单元70和/或150。

催化剂单元70和/或150在阴极202和阳极206中的载量可独立地基于燃料电池的运行条件选择。在一个实施方案中，催化剂单元70和/或150在阴极202中的载量高于在阳极206中以克服orr动力学。阴极载量与阳极载量的比率可以是任何下列数值或在任何两个下列数值的范围内：2:1、7:4、3:2、5:4和1:1。

如上所述，电极50和100和催化剂单元70和150各自包括至少一个具有缺陷的石墨烯基的层。可取决于燃料电池运行条件（例如运行电压和寿命）控制缺陷的尺寸、类型和密度。在高功率条件下适用的一个实施方案中，可存在比在低功率条件下多的石墨烯基缺陷，以捕获更多的催化剂材料和/或在高电位（例如高于大约0.6、0.7和0.8vrhe）下溶出的金属离子。

图7描绘了配置为用在燃料电池，如燃料电池10中的mea250的示意性截面视图。mea250包括阴极252、pem254和阳极256。阴极252包括催化剂材料层258，其布置在第一和第二材料层260和262之间。第一材料层260背向pem254且第二材料层262面向pem254。在一个实施方案中，第一材料层260是第一石墨烯基材料层52或108，其配置为(1)捕获从催化剂材料层56溶出的金属离子（例如pt²⁺(水溶液)离子），和/或(2)为燃料电池反应物（例如h2、o2和/或h2o）提供扩散路径（例如通道），且第二碳基层262由载体材料，如非晶碳材料（例如sp³型碳）、一种或多种金属氧化物（例如mox，其中m=ti、sn、w、mo、ge、ta等）或其组合形成。

阳极256包括催化剂材料层264，其布置在第一和第二材料层266和268之间。第一材料层266背向pem254且第二碳基材料层268面向pem254。在一个实施方案中，第一材料层266是第一石墨烯基材料层52或108，其配置为(1)捕获从催化剂材料层56溶出的金属离子（例如pt²⁺(水溶液)离子），和/或(2)为燃料电池反应物（例如h2、o2和/或h2o）提供扩散路径（例如通道），且第二材料层268由载体材料，如非晶碳材料（例如sp³型碳）、一种或多种金属氧化物（例如mox，其中m=ti、sn、w、mo、ge、ta等）或其组合形成。

下列申请与本申请有关：2019年8月19日提交的美国专利申请序号16/544,511，其全文经此引用并入本文。

尽管上文描述了示例性实施方案，但这些实施方案无意描述权利要求书涵盖的所有可能的形式。说明书中所用的词语是描述性而非限制性的词语，并且要理解的是，可作出各种改变而不背离本公开的精神和范围。如上所述，各种实施方案的特征可组合形成没有明确描述或例示的本发明的进一步实施方案。尽管各种实施方案可能已被描述为在一个或多个所需特征方面提供优点或优先于其它实施方案或现有技术实施方式，但本领域普通技术人员会认识到，可牺牲一个或多个要素或特征以实现所需的整体系统属性，这取决于具体应用和实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、可用性、重量、可制造性、易组装性等。因此，如果任何实施方案被描述为在一个或多个特征方面不如其它实施方案或现有技术实施方式合意，这些实施方案并不在本公开的范围外并可能对特定应用而言是合意的。