Pokroku bylo dosaženo ve studiu elektrolýzy protonové výměnné membrány pro výrobu vodíku z vody

Tým vedený Yang Hui, výzkumníkem ze Šanghajského institutu pro pokročilá studia Čínské akademie věd, dosáhl významného pokroku ve výrobě vodíku elektrolýzou protonové výměnné membrány.Celkový návrh anody s gradientově uspořádanou strukturou s nízkým zatížením iridiem pro protonovýměnnou membránuelektrolýza vody, publikovaná v Nano Letters.

Hydroelektrolýza na výměnné protonové membráně (PEMWE) je jednou z klíčových technologií pro výrobu vodíku s nulovými emisemi uhlíku.V současnosti vysoké množství drahého kovu Ir na anodové straně značně zvyšuje náklady na PEMWE a omezuje jeho komercializační proces.Příprava katalyzátoru s vysokou aktivitou a nízkým obsahem Ir je běžnou metodou pro snížení množství Ir.Při skutečném použití PEMWE však musí být membránová elektroda (MEA) provozována při vysoké proudové hustotě (â¥1-2 A cm-2), aby byla zajištěna účinná produkce vodíku, takže problémy s nízkým využitím katalyzátoru jsou vysoké. Ohmový odpor a omezený přenos hmoty je třeba vyřešit současně.Očekává se, že konstrukce objednaného MEA sníží elektrokatalytickou kinetiku, přenos hmoty a současně ohmické ztráty, což je cílem výzkumu vodíkových palivových článků, ale je to poměrně náročné.

S ohledem na to, z pohledu návrhu strukturální integrace MEA, vědecko-výzkumný tým inovativně navrhl připravit nový typ uspořádané MEA s kónickým polem s anodovým gradientem a trojrozměrným rozhraním membrána/katalytická vrstva pomocí technologie nanotisku a statického metoda.Kónické pole a struktura gradientní katalytické vrstvy zvýšily expozici aktivních míst;Gradient a trojrozměrné rozhraní membrána/katalytická vrstva zvyšují pevnost spojení rozhraní.Vertikálně uspořádané dutiny poskytují rychlý kanál pro přenos plynů a kapalin.Struktura MEA může současně snížit ztrátu výkonu způsobenou elektrokatalytickou kinetikou, ohmovou polarizací a přenosem hmoty.Ve srovnání s konvenční MEA se zátěží Ir 2 mg cm-2 zvýšila uspořádaná struktura elektrochemicky aktivní plochu 4,2krát a snížila přepětí přenosu hmoty a ohmické polarizace o 13,9 %, resp. 8,7 %.Nově objednaná MEA vykázala vynikající výkon 1,801 V@2A cm-2, když zatížení Ir bylo nízké až 0,2 mg cm-2, což bylo srovnatelné s tradiční strukturou MEA s desetinásobným zatížením Ir, a vykazovalo dobrou stabilitu.Tato studie poskytuje novou strategii pro vývoj PEMWE s vysokým výkonem, nízkým zatížením katalyzátoru z ušlechtilých kovů a dlouhou životností.