清华学者设计三维有序膜电极，提升碱性膜电解水制氢技术水平
电解水制氢一直存在亟需攻克的技术问题。电解水过程耗电太多，产生一立方米氢气（标准状态下），需要消耗 5 度电左右，能量效率太低；其次，装备建设投资太贵。如何发展大规模、低能耗、长寿命的电解水技术，存在迫切的产业需求，也是困扰国家新能源发展的重大问题。
近日，清华大学化工系王保国教授团队在碱性膜电解水制氢领域取得突破，提出了有序化膜电极制备的新策略，实现了膜电极在催化层、膜层及催化层/膜层界面上的整体有序化，为高性膜电极的设计与开发提供了新思路。
相关工作以《Overall design of novel 3D-ordered MEA with drastically enhanced mass transport for alkaline electrolyzers》（碱性电解水用有序化膜电极整体设计与传质强化）为题目，发表在 Energy & Environmental Science 期刊上。
DOI: 10.1039/D2EE00273F
文献来源：Lei Wan, Ziang Xu, Qin Xu, Peican Wang, Baoguo Wang. Overall design of novel 3D-ordered MEA with drastically enhanced mass transport for alkaline electrolyzers. Energy Environ. Sci. 2022.在这项研究中，为了提高能量转换效率和材料稳定性，特别是在高电流密度下，该团队设计了一种新型的三维有序膜电极（MEA），制备成功含有垂直通道的多孔催化剂层（CLs）、超薄膜层（ML）和三维 CL/ML 界面结构。得益于三维有序的 MEA 整体结构和快速传质通道，电解池在 2.0V 的电压下实现了 4200mA/cm2 的电流密度，在碱性膜电解水制氢过程中表现了出色的性能。
该研究合成的整体有序膜电极以多孔泡沫金属为基体，其结构特征为：（1）高度多孔的催化层结构；（2）孔结构、气/液扩散层和膜层垂直排列；（3）膜层超薄化（约14μm）和三维有序界面。基于对电解池阻抗分析的新认知，这项工作提供了一种通用的方法来提高 MEA 的性能，通过增大界面接触面积，实现传质强化，对合理设计下一代碱性电解槽，以及高性能电化学反应器具有指导意义。
此外，基于纯水的碱性电解池, 在 2.0V 时实现了 3100mA/cm2 的电流密度，并且, 可以在 1A/cm2 的高电流密度下, 稳定运行超过 600 小时。该性能与日本、韩国、北美的相关论文和专利对比，在世界范围内属于领先水平。
同时，团队进一步揭示了MEA结构及研究电解过程中的气-液-固三相传质机制，基于传质强化的界面结构优化方案，提出改善MEA性能的有效策略，对合理设计下一代碱性电解槽和高性能电化学器件提供了坚实基础。根据国家《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》指引，团队正在积极推进产业化步伐。
谈到新技术工程化应用，王保国教授表示，在未来工程化道路中，由于放大效应，实际获得的性能，会比目前实验室的测试结果差一些。但是，先进的认知能够指导工程化进行，少走弯路，如果最终能达到 1A/cm2 的电流密度，也是很不错的。另外，通过 2-3 年的努力，碱性膜电解水制氢的性能，将有望比肩甚至超过质子交换膜电解水性能。“我们已经与企业建立合作关系，希望能把先进的科学认知和结构设计，与工艺装备开发联系起来。”王保国教授提到。
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