Bei der Untersuchung der Protonenaustauschmembranelektrolyse zur Wasserstofferzeugung aus Wasser wurden Fortschritte erzielt

Ein Team unter der Leitung von Yang Hui, einem Forscher am Shanghai Institute for Advanced Studies der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, hat wichtige Fortschritte bei der Wasserstoffproduktion durch Protonenaustauschmembran-Elektrolyse erzielt.Das Gesamtdesign der Anode mit geordneter Gradientenstruktur mit geringer Iridiumbeladung für ProtonenaustauschmembranenWasserelektrolyse, veröffentlicht in Nano Letters.

Die Protonenaustauschmembran-Hydroelektrolyse (PEMWE) ist eine der Schlüsseltechnologien für die Wasserstoffproduktion ohne Kohlenstoffemissionen.Gegenwärtig erhöht die hohe Menge an Edelmetall Ir auf der Anodenseite die Kosten von PEMWE stark und schränkt seinen Kommerzialisierungsprozess ein.Die Herstellung von Katalysatoren mit hoher Aktivität und niedrigem Ir-Gehalt ist ein übliches Verfahren zur Reduzierung der Ir-Menge.Bei der tatsächlichen Verwendung von PEMWE muss die Membranelektrode (MEA) jedoch unter hoher Stromdichte (≥ 1-2 A cm-2) betrieben werden, um eine effiziente Wasserstoffproduktion sicherzustellen, sodass die Probleme einer geringen Katalysatorausnutzung hoch sind Ohm-Widerstand und begrenzter Stofftransport müssen gleichzeitig gelöst werden.Es wird erwartet, dass die Konstruktion einer geordneten MEA gleichzeitig die elektrokatalytische Kinetik, den Massentransfer und den ohmschen Verlust reduziert, was das Ziel der Wasserstoff-Brennstoffzellen-Forschung ist, aber es ist eine ziemliche Herausforderung.

In Anbetracht dessen schlug das wissenschaftliche Forschungsteam aus der Perspektive des MEA-Strukturintegrationsdesigns auf innovative Weise vor, eine neue Art von geordneter MEA mit konischer Anodengradientenanordnung und dreidimensionaler Grenzfläche zwischen Membran und katalytischer Schicht unter Verwendung von Nanoimprint-Technologie und Statik herzustellen Methode.Die konische Anordnung und die Gradientenstruktur der katalytischen Schicht erhöhten die Freilegung aktiver Stellen;Gradient und dreidimensionale Grenzfläche zwischen Membran und katalytischer Schicht verbessern die Bindungsfestigkeit der Grenzfläche.Vertikal angeordnete Hohlräume bieten einen schnellen Kanal für die Gas- und Flüssigkeitsübertragung.Die MEA-Struktur kann gleichzeitig den durch elektrokatalytische Kinetik, Ohm- und Massentransferpolarisation verursachten Leistungsverlust reduzieren.Verglichen mit der konventionellen MEA mit einer Ir-Beladung von 2 mg cm-2 vergrößerte die geordnete Struktur die elektrochemisch aktive Fläche um das 4,2-fache und reduzierte den Massentransfer und die ohmsche Polarisationsüberspannung um 13,9 % bzw. 8,7 %.Die neu bestellte MEA zeigte eine hervorragende Leistung von 1,801 V bei 2 A cm-2, wenn die Ir-Ladung so niedrig wie 0,2 mg cm-2 war, was mit der traditionellen MEA-Struktur mit der zehnfachen Ir-Last vergleichbar war, und zeigte eine gute Stabilität.Diese Studie liefert eine neue Strategie für die Entwicklung von PEMWE mit hoher Leistung, geringer Edelmetallkatalysatorbeladung und langer Lebensdauer.