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上海高研院在質(zhì)子交換膜電解水制氫有序化膜電極方面獲進展

2023-01-09 14:19:04化工儀器網(wǎng)閱讀量:351 我要評論


  【化工機械設備網(wǎng) 技術前沿】2020年,我國提出“雙碳”目標:承諾將力爭于2030年前實現(xiàn)碳達峰,2060年前實現(xiàn)碳中和。要實現(xiàn)“碳達峰”與“碳中和”,能源的綠色低碳發(fā)展是關鍵。近年來,我國堅定不移走生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展道路,大力支持氫能技術發(fā)展。
 
  水電解制氫是指水分子在直流電作用下被解離生成氧氣和氫氣,分別從電解槽陽極和陰極析出。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同,通常將水電解制氫分為堿性水電解(AE)、質(zhì)子交換膜(PEM)水電解以及高溫固體氧化物水電解(SOEC)。
 
  質(zhì)子交換膜水電解(PEMWE)是實現(xiàn)零碳排放制氫的關鍵技術之一。目前,由于陽極側貴金屬Ir的高用量大幅增加了PEMWE成本,制約其商業(yè)化進程。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實際使用過程中,膜電極(MEA)需要在高電流密度(≥1-2 A cm-2)下運行以保證高效產(chǎn)氫,因此需要同時解決催化劑利用率低、高歐姆電阻以及傳質(zhì)受限等問題。構筑有序結構MEA有望同時降低電催化動力學、傳質(zhì)和歐姆損失,是氫能燃料電池研究追求的目標,但頗具挑戰(zhàn)性。
 
  近日,中國科學院上海高等研究院研究員楊輝團隊在質(zhì)子交換膜電解水制氫研究中取得重要進展??蒲袌F隊從MEA結構一體化設計的角度出發(fā),創(chuàng)新地提出利用納米壓印技術結合靜置法,制備一種陽極兼具梯度化錐形陣列以及三維膜/催化層界面的新型有序結構MEA。該結構MEA可同時降低電催化動力學、歐姆與傳質(zhì)極化造成的性能損失。與Ir載量為2 mg cm-2的傳統(tǒng)MEA相比,該有序結構將電化學活性面積提高至4.2倍,同時分別將傳質(zhì)和歐姆極化過電位降低了13.9 %和8.7 %。這種新型有序MEA在Ir載量低至0.2 mg cm-2時,仍表現(xiàn)出1.801 V @ 2 A cm-2的優(yōu)異性能,與Ir載量是其十倍的傳統(tǒng)結構MEA性能相當,并表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。本研究為開發(fā)高性能、低貴金屬催化劑載量及長壽命的PEMWE提供了新策略。
 
  相關研究成果以Overall design of anode with gradient ordered structure with low iridium loading for proton exchange membrane water electrolysis于近日發(fā)表在Nano Letters上。
 
資料來源: 上海高等研究院 
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