Framsteg har gjorts i studiet av protonbytesmembranelektrolys för väteproduktion från vatten

Ett team ledd av Yang Hui, en forskare vid Shanghai Institute for Advanced Studies av den kinesiska vetenskapsakademin, har gjort viktiga framsteg i väteproduktion genom elektrolys av protonbytesmembran.Den övergripande designen av anoden med gradientordnad struktur med låg iridiumbelastning för protonbytesmembranvattenelektrolys, publicerad i Nano Letters.

Protonbytesmembranhydroelektrolys (PEMWE) är en av nyckelteknologierna för väteproduktion utan koldioxidutsläpp.För närvarande ökar den höga mängden ädelmetall Ir på anodsidan avsevärt kostnaden för PEMWE och begränsar dess kommersialiseringsprocess.Framställning av katalysator med hög aktivitet och låg Ir-halt är en vanlig metod för att minska mängden Ir.Men i den faktiska användningen av PEMWE måste membranelektroden (MEA) drivas under hög strömtäthet (⥠1-2 A cm-2) för att säkerställa effektiv väteproduktion, så problemen med lågt katalysatorutnyttjande, hög ohm resistans och begränsad massöverföring måste lösas samtidigt.Konstruktionen av beställd MEA förväntas minska elektrokatalytisk kinetik, massöverföring och ohmsk förlust på samma gång, vilket är målet för forskning om vätebränsleceller, men det är ganska utmanande.

Med tanke på detta, ur perspektivet av MEA-strukturell integrationsdesign, föreslog det vetenskapliga forskarteamet innovativt att förbereda en ny typ av beställd MEA med anodgradientkonisk array och tredimensionellt gränssnitt mellan membran och katalytiskt lager genom att använda nano-imprint-teknologi och statisk metod.Konisk array och gradient katalytisk lagerstruktur ökade exponeringen av aktiva platser;Gradient och tredimensionell gränsyta mellan membran och katalytiskt lager förbättrar gränssnittets bindningsstyrka.Vertikalt anordnade hålrum ger en snabb kanal för gas- och vätskeöverföring.MEA-strukturen kan samtidigt minska prestandaförlusten som orsakas av elektrokatalytisk kinetik, ohm och massöverföringspolarisation.Jämfört med den konventionella MEA med en Ir-belastning på 2 mg cm-2 ökade den ordnade strukturen den elektrokemiska aktiva arean med 4,2 gånger och reducerade massöverföringen och ohmsk polarisationsöverpotential med 13,9 % respektive 8,7 %.Den nybeställda MEA visade utmärkt prestanda på 1,801V@2A cm-2 när Ir-belastningen var så låg som 0,2 mg cm-2, vilket var jämförbart med den traditionella MEA-strukturen med tio gånger Ir-belastningen, och visade god stabilitet.Denna studie ger en ny strategi för utvecklingen av PEMWE med hög prestanda, låg belastning av ädelmetallkatalysatorer och lång livslängd.