質子交換膜水解電池電化學反應研究獲進展

2020-12-25 科學網

 

近期，田納西大學空間研究院納米動力學高效推進及動力實驗室張鳳遠教授領導的科研團隊聯合田納西大學機械、航空航天和生物醫學工程系，橡樹嶺國家實驗室(ORNL)，國家可再生能源實驗室(NREL)和國家能源技術實驗室(NETL)利用高速攝像機、光學系統和納米加工技術，加上全新設計的質子交換膜水解電池和超薄可調氣液兩相擴散層，第一次觀察到了質子交換膜水解電池內電化學反應和微流體兩相流的實時現象，從而得到了質子交換膜水解電池內電化學反應的真實機制。由此發現，研究團隊利用磁控濺射鍍膜法在新型研發的超薄可調氣液兩相擴散層上沉積了一層15納米厚的催化劑層，大大提高了質子交換膜水解電池催化劑層的利用率和比活性，在性能接近的情況下，將催化劑的比活性提升了50多倍。該成果於11月18日下午在線發表於《Science》的子刊《Science Advances》。

氫能因清潔和高能量密度而備受關注，但氫氣分子在自然界中並不存在，必須要通過人工反應製得。質子交換膜水解作為最具前景的制氫方法，由通用電氣公司基於固體聚合物電解質概念於20世紀60年代首次引入。質子交換膜水解具有高效率，高生產氣體純度，緊湊的系統設計和高壓操作等優勢。自從通用電氣公司的首次研究以來，各個研究團隊都試圖通過無數替代材料來解決高成本的問題。大量關於電化學反應的研究都基於三相邊界理論。但是至今沒有一個研究團隊能夠實時觀測到質子交換膜水解電池電化學反應和微流體兩相流的實時現象。

「基於實時觀測到的質子交換膜水解電池電化學反應的現象，我們發現把催化劑放置於鄰近電導體的位置能極大地提高質子交換膜水解電池的性能。」田納西大學機械系張鳳遠教授稱，「通過這種方式，我們能顯著地降低這類電化學反應設備的費用」。

研究人員告訴記者，三相邊界作為理論研究電化學反應設備反應機理的基礎，需要同時具備反應物和產物的傳輸通道、質子和電子的導體以及催化劑，才能實現電化學的持續反應。該研究觀測到了三相邊界反應點的實時存在位置，此次發現能指導催化劑層的生產，極大提高催化劑的利用效率和比活性。

該成果將大幅提高質子交換膜水解電池內催化劑的利用率，降低此類設備的成本，具有廣闊的應用前景。同時，該研究方法對類似電化學反應催化劑應用研究亦有廣泛借鑑意義。

和張教授一起參與此項研究的還有他的博士生莫景科和康振燁，田納西大學的機械、航空航天和生物醫學工程系系主任Dr. Matthew M. Mench教授，美國國家可再生能源實驗室(NREL)的副主任Dr. Johney B. Green, Jr.，以及美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員：Dr. Scott T. Retterer, Dr. David A. Cullen和Dr. Todd J. Toops.

該研究項目由美國能源部國家能源技術實驗室基金DE-FE0011585支持，其部分實驗在美國橡樹嶺國家實驗室納米材料科學中心的世界頂尖的納米加工研究實驗室進行。（來源：科學網）

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