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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。科研團隊從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

關鍵詞： 有序結構 資料來源 相關研究