苏州纳米所Nano Lett.：开发有序膜电极组件，增强质子交换膜质子和物质传输用于高效水电解

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电化学水分解制取绿色氢气是实现减少化石能源消耗和修复环境的有效方法之一。与商业碱性水电解相比，质子交换膜水电解(PEMWE)制氢具有效率高和氢气纯度高等优点。传统的催化剂涂覆膜(CCM)电极在PEM电解槽中要求高的Ir负载量(2~3 mg cm−2)，但Ir储量稀缺和价格昂贵，这限制了PEM电解槽的进一步发展。Ir负载量难以降低的主要原因是催化层(CL)与膜电极组件(MEA)中的质子交换膜(PEM)或多孔传输层(PTL)之间的界面和体相性质较差，从而阻碍了水电解反应过程中的质子和物质传输。因此，有必要对MEA进行精心设计以降低Ir的负载量并提高其活性，从而推动PEMWE的进一步发展。


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基于此，中科院苏州纳米所周小春和田彬等利用阳极氧化铝模板和磁控溅射，设计了一个基于锥形Nafion阵列的有序MEA，该阵列具有梯度Nafion分布、紧密结合的催化层/质子交换膜(CL/PEM)界面，以及丰富的垂直通道。具体而言，1.具有表面锥阵列结构的Nafion膜显著提高了催化剂的利用效率，并将Ir负载量降低到20.0 μg cm−2；2.用磁控溅射法构建的CL不仅保持了Nafion阵列的结构，而且有效地增加了CL/PEM界面的相互作用，从而提供了丰富的质子传输途径；3.在锥形阵列表面形成的致密CL保证了有效的电子转移；4.有序阵列结构与液体/多孔传输层和Nafion膜垂直排列，有利于电化学反应中氧气气泡的释放。
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因此，与传统MEA相比，这种有序MEA的Ir负载量为1.0 mg cm−2时，其电化学活性面积提高了8.7倍，并在2.0 V电压下获得了168000 mA mgIr-1 cm-2的质量活性，优于大多数报道的基于MEA的质子交换膜燃料电池。
同时，它在电流密度分别为100和500 mA cm−2时连续运行超50小时而没有发生明显的电压升高，显示出优异的稳定性。综上，这项工作证明了基于锥形Nafion阵列的有序MEA在质子交换膜水电解中的优异活性，为设计新一代膜电极用于质子交换膜燃料电池和其他电化学器件提供了范例。
Ordered Membrane Electrode Assembly with Drastically Enhanced Proton and Mass Transport for Proton Exchange Membrane Water Electrolysis. Nano Letters, 2023. DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01331




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