上海高研院在質子交換膜電解水制氫有序化膜電極獲進展

　　2020年，我國提出“雙碳”目標：承諾將力爭于2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和。要實現“碳達峰”與“碳中和”，能源的綠色低碳發展是關鍵。近年來，我國堅定不移走生態優先、綠色低碳的高質量發展道路，大力支持氫能技術發展。

　　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)、質子交換膜(PEM)水電解以及高溫固體氧化物水電解(SOEC)。

　　質子交換膜水電解(PEMWE)是實現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、傳質和歐姆損失，是氫能燃料電池研究追求的目標，但頗具挑戰性。

　　近日，中國科學院上海高等研究院研究員楊輝團隊在質子交換膜電解水制氫研究中取得重要進展。科研團隊從MEA結構一體化設計的角度出發，創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、歐姆與傳質極化造成的性能損失。與Ir載量為2 mg cm-2的傳統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，仍表現出1.801 V @ 2 A cm-2的優異性能，與Ir載量是其十倍的傳統結構MEA性能相當，并表現出良好的穩定性。本研究為開發高性能、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于近日發表在Nano Letters上。