近日，中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院楊輝研究員團(tuán)隊(duì)在質(zhì)子交換膜電解水制氫研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以“Overall design of anode with gradient ordered structure with low iridium loading for proton exchange membrane water electrolysis”為題發(fā)表在材料科學(xué)綜合類期刊Nano Letters。論文的第一作者為上海高等研究院的博士研究生董姝，楊輝研究員和樂(lè)舟瑩高級(jí)工程師為通訊聯(lián)系人。

DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03461

質(zhì)子交換膜水電解 (PEMWE) 是實(shí)現(xiàn)零碳排放制氫的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，由于陽(yáng)極側(cè)貴金屬Ir的高用量大幅增加了PEMWE成本，嚴(yán)重制約其商業(yè)化進(jìn)程。制備高活性低Ir含量催化劑是降低Ir用量的常用方法。然而，在PEMWE實(shí)際使用過(guò)程中，膜電極(MEA)需要在高電流密度(≥1-2A?cm-2)下運(yùn)行以保證高效產(chǎn)氫，因此需要同時(shí)解決催化劑利用率低、高歐姆電阻以及傳質(zhì)受限等問(wèn)題。構(gòu)筑有序結(jié)構(gòu)MEA有望同時(shí)降低電催化動(dòng)力學(xué)、傳質(zhì)和歐姆損失，是氫能燃料電池研究人員一直追求的目標(biāo)，但存在巨大挑戰(zhàn)。

鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)從MEA結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，創(chuàng)新地提出利用納米壓印技術(shù)結(jié)合靜置法制備一種陽(yáng)極兼具梯度化錐形陣列及三維膜/催化層界面的新型有序結(jié)構(gòu)MEA。錐形陣列及梯度催化層結(jié)構(gòu)增加了活性位點(diǎn)的暴露；梯度及三維膜/催化層界面增強(qiáng)了界面結(jié)合強(qiáng)度；垂直排列的空隙為氣、液傳輸提供了快速通道。

有序結(jié)構(gòu)膜電極示意圖、譜學(xué)表征和水電解性能評(píng)價(jià)

該結(jié)構(gòu)MEA可同時(shí)降低電催化動(dòng)力學(xué)、歐姆與傳質(zhì)極化造成的性能損失。與Ir載量為2mg·cm-2的傳統(tǒng)MEA相比，該有序結(jié)構(gòu)將電化學(xué)活性面積提高至4.2倍，同時(shí)分別將傳質(zhì)和歐姆極化過(guò)電位降低了13.9%和8.7%。因此，這種新型有序MEA在Ir載量低至0.2mg·cm-2時(shí)，仍表現(xiàn)出1.801V@2A·cm-2的優(yōu)異性能，與Ir載量是其十倍的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)MEA性能相當(dāng)，并表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

本研究為開(kāi)發(fā)高性能、低貴金屬催化劑載量及長(zhǎng)壽命的PEMWE提供了一個(gè)新策略。