清華新聞網(wǎng)5月23日電 近日，化工系王保國(guó)教授團(tuán)隊(duì)在堿性膜電解水制氫領(lǐng)域取得突破，提出了有序化膜電極制備的新策略，實(shí)現(xiàn)了膜電極在催化層、膜層及催化層/膜層界面上的整體有序化，為高性膜電極的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供了新思路。
電解水被認(rèn)為是一種高效、清潔的綠色制氫技術(shù)。但目前的堿性水溶液電解制氫路線(xiàn)存在電流密度400 mA.cm-2和能量效率較低，電解槽設(shè)備龐大，導(dǎo)致建設(shè)成本高等問(wèn)題。王保國(guó)團(tuán)隊(duì)利用氣泡模板法和直接膜沉積技術(shù)，制備出基于多孔泡沫金屬的整體有序膜電極（圖1），其結(jié)構(gòu)特征為：（1）高度多孔的催化層結(jié)構(gòu)；（2）孔結(jié)構(gòu)與氣/液擴(kuò)散層和膜層垂直排列；（3）膜層超薄化（~14μm）和三維相界面。得益于三維有序化膜電極組件（MEA）的整體設(shè)計(jì)，將堿性水溶液和質(zhì)子交換膜（PEM）電解水的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)結(jié)合；在1摩爾的氫氧化鉀溶液中，施加2.0V電壓時(shí)，電流密度達(dá)到4200mA cm-2。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用堿性離聚物改善催化層與膜之間的界面特性，實(shí)現(xiàn)低成本的過(guò)渡金屬催化劑及零間隙結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)，使以純水為介質(zhì)的電解水過(guò)程，在1.9V下的電流密度達(dá)到1900mA cm?2，比現(xiàn)有堿性電解水增加10倍；在1000A cm-2電流密度下穩(wěn)定運(yùn)行超過(guò)600h（圖2）。在提高電流密度的同時(shí)，顯著降低電解水能耗，還實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。
圖1. 膜電極結(jié)構(gòu)示意圖 (a)傳統(tǒng)膜電極 (b)整體有序化膜電極 (c)整體有序化膜電極的制備過(guò)程
圖2. 整體有序化膜電極的電解水性能
同時(shí)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了MEA結(jié)構(gòu)及研究電解過(guò)程中的氣-液-固三相傳質(zhì)機(jī)制，基于傳質(zhì)強(qiáng)化的界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，提出改善MEA性能的有效策略，對(duì)合理設(shè)計(jì)下一代堿性電解槽和高性能電化學(xué)器件提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。按照國(guó)家《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長(zhǎng)期規(guī)劃（2021-2035年）》指引，團(tuán)隊(duì)正在積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化步伐。
圖3. 期刊封面
上述成果以“堿性電解水用有序化膜電極的整體設(shè)計(jì)”為題，被該領(lǐng)域國(guó)際期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）以封面論文發(fā)表。論文第一作者為化工系2019級(jí)博士生萬(wàn)磊，通訊作者為王保國(guó)教授。工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金支持。該團(tuán)隊(duì)依托化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，長(zhǎng)期致力于可再生能源制氫“關(guān)鍵材料-核心部件-工業(yè)裝備”的全鏈條科研開(kāi)發(fā)。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1039/D2EE00273F
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：周襄楠
