清華新聞網(wǎng)10月21日電 陰離子交換膜水電解槽（AEMWE）因其低成本和高純度制氫而備受關(guān)注。然而，純水供給下的AEMWE性能仍不理想，主要受限于膜電極組件（MEA）中較高的歐姆電阻和緩慢的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。傳統(tǒng)MEA的制備方法，如催化劑涂層基底（CCS）和催化劑涂層膜（CCM）會(huì)導(dǎo)致催化劑層與膜或氣液擴(kuò)散層之間接觸不良，進(jìn)一步增大界面電阻和降低傳質(zhì)效率，以上挑戰(zhàn)在純水供給下更為突出。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種無(wú)離聚物、近零間隙的催化劑橋接膜電極（GCB-MEA），通過(guò)限域定向沉積策略構(gòu)建了結(jié)構(gòu)緊密、界面牢固的MEA結(jié)構(gòu)。該GCB-MEA中的陰離子交換膜與氣液擴(kuò)散層通過(guò)催化劑層橋連，使得膜電極界面接觸電阻小、活性位點(diǎn)暴露多、傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)快及界面結(jié)合力強(qiáng)。
研究團(tuán)隊(duì)展示了限域定向沉積策略的普適性，鐵（Fe）、鐵鈷（FeCo）、鎳鈷（NiCo）、鎳鐵（NiFe）、釕（Ru）基等多種催化劑集成至GCB-MEA中，并實(shí)現(xiàn)了5×5cm2大面積膜電極均勻制備。以NiFe基催化劑為例，GCB-MEA在1摩爾每升的氫氧化鉀溶液（1 M KOH）中達(dá)到2.00A cm?2的電流密度僅需電壓1.80V，在純水中也僅需1.87V，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85.7%，優(yōu)于美國(guó)能源部制定的2040年目標(biāo)。
更值得注意的是，純水供給下的GCB-AEMWE在0.50A cm?2下穩(wěn)定運(yùn)行1000小時(shí)，電壓衰減率低至65μV h?1，是目前報(bào)道的純水AEMWE的最低值。該電解槽在波動(dòng)太陽(yáng)能供電條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，展現(xiàn)出與可再生能源系統(tǒng)良好的兼容性。該研究通過(guò)膜電極界面結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)高性能、長(zhǎng)壽命的純水供給陰離子交換膜電解槽制氫提供了新思路。
圖1.GCB-MEA的制備及其性能
圖2.催化層的普適性制備及GCB-MEAs的表征
圖3.AEMWE的電化學(xué)制氫性能
圖4.波動(dòng)工況驅(qū)動(dòng)的純水供給AEMWE制氫
研究成果以“無(wú)離聚物近零間隙催化劑橋接膜電極用于高性能純水陰離子交換膜電解槽”（An Ionomer-Free Gapless Catalyst-Bridging Membrane Electrode Assembly for High-Performance Pure Water-Fed Anion Exchange Membrane Electrolyzer）為題，于10月8日發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院2022級(jí)碩士生張?zhí)礻粸?span style="text-align: justify; text-indent: 28px; text-wrap-mode: wrap;">論文第一作者，深圳國(guó)際研究生院副研究員余強(qiáng)敏、教授劉碧錄為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然基金委、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣東省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、深圳市科技計(jì)劃等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202509805
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
