水から水素を製造するプロトン交換膜電気分解の研究が進展

中国科学院上海高等研究所の研究者であるヤン・ホイが率いるチームは、プロトン交換膜電気分解による水素製造において重要な進歩を遂げました。プロトン交換膜のイリジウム充填量が少ない勾配秩序構造のアノードの全体設計水電解、Nano Letters に掲載。

プロトン交換膜水電解 (PEMWE) は、二酸化炭素を排出しない水素製造の主要技術の 1 つです。現在、アノード側の貴金属Irの量が多いため、PEMWEのコストが大幅に増加し、その商品化プロセスが制限されています。高活性で低Ir含有量の触媒の調製は、Irの量を減らすための一般的な方法です。しかし、PEMWE の実際の使用では、膜電極 (MEA) を高電流密度 (≒1-2 A cm-2) で動作させて効率的な水素生成を確保する必要があるため、触媒の使用率が低く、高いという問題があります。オーム抵抗と限られた物質移動は同時に解決する必要があります。規則正しい MEA の構築は、水素燃料電池研究の目標である電極触媒反応速度、物質移動、抵抗損失を同時に減少させることが期待されていますが、それは非常に困難です。

これを考慮して、MEA構造統合設計の観点から、科学研究チームは、ナノインプリント技術と静的を使用して、アノード勾配コニカルアレイと3次元膜/触媒層界面を備えた新しいタイプの秩序化MEAを準備することを革新的に提案しました。方法。円錐アレイと勾配触媒層構造により、活性部位の露出が増加しました。勾配および三次元膜/触媒層界面は、界面結合強度を高めます。垂直に配置されたボイドは、気体と液体の透過のための高速チャネルを提供します。MEA 構造は、電極触媒動力学、オーム、および物質移動分極によって引き起こされる性能損失を同時に低減できます。Ir を 2 mg cm-2 負荷した従来の MEA と比較すると、秩序化された構造により、電気化学的活性領域が 4.2 倍増加し、物質移動とオーミック分極過電圧がそれぞれ 13.9 % と 8.7 % 減少しました。新しい秩序化された MEA は、Ir 負荷が 0.2 mg cm-2 と低い場合に 1.801V@2A cm-2 の優れた性能を示し、Ir 負荷の 10 倍の従来の MEA 構造に匹敵し、良好な安定性を示しました。この研究は、高性能、低貴金属触媒負荷、および長寿命を備えた PEMWE の開発のための新しい戦略を提供します。