Pokrok sa dosiahol v štúdiu elektrolýzy protónovej výmennej membrány na výrobu vodíka z vody

Tím pod vedením Yang Hui, výskumníka zo Šanghajského inštitútu pre pokročilé štúdie Čínskej akadémie vied, urobil dôležitý pokrok vo výrobe vodíka elektrolýzou protónovej výmennej membrány.Celkový dizajn anódy s gradientne usporiadanou štruktúrou s nízkym zaťažením irídiom pre protónomeničovú membránuelektrolýza vody, publikovaná v Nano Letters.

Hydroelektrolýza s protónovou výmennou membránou (PEMWE) je jednou z kľúčových technológií na výrobu vodíka s nulovými emisiami uhlíka.V súčasnosti vysoké množstvo drahého kovu Ir na anódovej strane značne zvyšuje náklady na PEMWE a obmedzuje jeho komercializačný proces.Príprava katalyzátora s vysokou aktivitou a nízkym obsahom Ir je bežnou metódou na zníženie množstva Ir.Pri skutočnom použití PEMWE však membránová elektróda (MEA) musí pracovať pri vysokej prúdovej hustote (â¥1-2 A cm-2), aby sa zabezpečila efektívna výroba vodíka, takže problémy s nízkym využitím katalyzátora sú vysoké. Ohmový odpor a obmedzený prenos hmoty je potrebné vyriešiť súčasne.Od konštrukcie objednaného MEA sa očakáva zníženie elektrokatalytickej kinetiky, prenosu hmoty a súčasne ohmických strát, čo je cieľom výskumu vodíkových palivových článkov, no je to dosť náročné.

Vzhľadom na to, z hľadiska návrhu štruktúrnej integrácie MEA, vedecký výskumný tím inovatívne navrhol pripraviť nový typ usporiadanej MEA s kužeľovým poľom s anódovým gradientom a trojrozmerným rozhraním membrána/katalytická vrstva pomocou technológie nanotlače a statickej metóda.Štruktúra kónického poľa a gradientovej katalytickej vrstvy zvýšila expozíciu aktívnych miest;Gradient a trojrozmerné rozhranie membrána/katalytická vrstva zvyšujú pevnosť spojenia rozhrania.Vertikálne usporiadané dutiny poskytujú rýchly kanál na prenos plynov a kvapalín.Štruktúra MEA môže súčasne znížiť stratu výkonu spôsobenú elektrokatalytickou kinetikou, ohmom a polarizáciou prenosu hmoty.V porovnaní s konvenčnou MEA so záťažou Ir 2 mg cm-2, usporiadaná štruktúra zvýšila elektrochemickú aktívnu plochu 4,2-krát a znížila nadmerný potenciál prenosu hmoty a ohmickej polarizácie o 13,9 % a 8,7 %.Nové objednané MEA vykazovali vynikajúci výkon 1,801 V@2A cm-2, keď zaťaženie Ir bolo len 0,2 mg cm-2, čo bolo porovnateľné s tradičnou štruktúrou MEA s desaťnásobným zaťažením Ir, a vykazovalo dobrú stabilitu.Táto štúdia poskytuje novú stratégiu pre vývoj PEMWE s vysokým výkonom, nízkym zaťažením katalyzátora z ušľachtilých kovov a dlhou životnosťou.