一、全文速览

清华大学王保国教授团队在碱性电解水用膜电极的设计与制备方面取得重要进展，相关成果以标题为“Oriented intergrowth of the catalyst layer in membrane electrode assembly for alkaline water electrolysis”发表在《Nature Communications》。清华大学博士研究生万磊为论文第一作者，此研究得到国家重点研发计划（2020YFB1505602；2018YFE0202001）和国家自然科学基金（21776154）资助。

二、研究背景

膜电极作为电解水制氢的关键部件，由催化剂层与离子交换膜共同组成，催化层与离子膜之间的界面，以及离子膜内的氢氧根迁移，存在传质阻力大、传荷阻抗高的难题，构成制约产氢速率的技术“瓶颈”。

三、本文亮点

提出“一体化”膜电极设计思路，在高分子膜的微孔限域空间内，使催化层由膜内向外取向生长，形成“一体化”膜电极结构（图1），既能降低界面上的电化学极化，又能提高隔离氢气和氧气能力。

四、图文解析

图1. “一体化”膜电极的结构与制备示意图

通过聚焦离子束切割膜电极截面，可观察到形成的CoNiS催化层与膜形成了整体的界面结构，该CoNiS催化层具有优异的双功能催化活性，在10 mA cm–2电流密度下的OER和HER过电位分别为195和121 mV。原始的聚丙烯（PP）多孔膜气体渗透率和面电阻高，无法用于碱性电解水。由于催化层是自膜内往外生长，在形成有序化催化层的同时，CoNiS纳米片原位填充了多孔隔膜形成复合膜结构。与原始的PP多孔膜比较，复合膜的亲水性和泡点压力显著提高，不仅有效分隔电解产生的氢气和氧气，而且膜面电阻显著降低。与商业化Zirfon隔膜、PBI离子溶剂化膜及Sustainion X37-50阴离子交换膜相比，复合膜在面电阻、溶胀率、机械强度、泡点压力和耐碱稳定性等方面具有明显优势。

将该“一体化”膜电极安装到电解槽中，当以30 wt% KOH溶液为电解液时，1.8V电压下的电流密度为2.5 A cm-2，显著优于传统的膜电极。除此之外，当以5 wt% KOH溶液为电解液时，1.8V电压处的电流密度仍达到1.45 A cm-2，优于传统碱性水溶液电解和阴离子交换膜电解水性能。在1000mA cm-2的电流密度下，稳定运行600小时后，膜电极保持良好的形貌结构。

图2. “一体化”膜电极的碱性电解水性能测试

为了解明“一体化”膜电极的过程强化机制，对电解槽整体过电势进行分解，发现“一体化”膜电极相较传统的膜电极，欧姆过电势、动力学过电势和传质过电势均显著降低。图3给出隔膜、有序化催化层及整体的膜/催化层界面结构，对碱性电解水性能的影响及各部分电压组成。

图3. “一体化”膜电极的高性能原因分析

5总结展望

提出“一体化”膜电极设计思路，在多孔膜的微孔限域空间内，使催化层由膜内向外有序生长，形成“一体化”膜电极结构，具有以下技术优势：(1) 三维有序的催化层结构强化了气/液传质过程；（2）由于不使用任何聚合物粘结剂，催化层的有效活性位点增多，导通电子能力提高；（3）催化层/膜界面结构有效降低界面电阻，加速界面上的离子传递。

六、作者介绍

第一作者万磊：2018年于大连理工大学化工学院获得本科学位；2018年-至今，清华大学化工系在读博士研究生。研究方向为碱性电解水用有序化膜电极的设计与制备。目前以一作在Nature Communications, Energy & Environmental Science, Nano Letters, Small等国际期刊发表国际期刊论文11篇。

通讯作者王保国：清华大学长聘教授、博士生导师。长期从事膜分离和电化学工程的交叉领域研究，包括全钒液流电池、碱性膜电解水制氢、锌/空气电池材料与技术；揭示电化学关键材料的构效关系，发展电化学能源转换与储能过程的材料、装备与基础理论。在国内外发表学术论文190余篇，学术报告200多次，申请和授权专利37项；主持和承担多项国家“863”、“973”、“重点研发计划”和国家自然科学基金等项目；现任北京膜学会副理事长兼秘书长、《储能科学与技术》编委会副主任、《膜科学与技术》副主编、中关村液流电池储能技术专委会副主任委员、能源行业液流电池标委会委员等职。