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近日，燃料電池研究所章俊良教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Energy Materials發(fā)表題為“Agglomerate Engineering to Boost PEM Water Electrolyzer Performance”的研究論文，指出造成PEM電解水制氫陽(yáng)極催化層內(nèi)高傳質(zhì)損失的根源在于致密的催化劑-離聚物團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提出了電極團(tuán)聚體工程(Agglomerate Engineering)概念，在團(tuán)聚體尺度的調(diào)控手段方面取得重要突破，實(shí)現(xiàn)了高效的氧氣氣泡傳輸管理，大幅提升了電解制氫性能。論文第一作者為燃料電池研究所2021級(jí)直博生趙聰凡，通訊作者為閆曉暉副教授和章俊良教授。
作為一種具有動(dòng)態(tài)特性好、產(chǎn)氫純度高和穩(wěn)定性強(qiáng)的電化學(xué)制氫技術(shù)，PEM電解水制氫技術(shù)被廣泛應(yīng)用。然而較高電解制氫電流密度下，由低效的氧氣氣泡傳輸造成的陽(yáng)極催化層內(nèi)的高傳質(zhì)損失，一直是制約PEM電解水制氫性能進(jìn)一步提升的原因。針對(duì)上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)利用多尺度的表征技術(shù)和數(shù)學(xué)模型計(jì)算指出，離聚物緊密包裹IrOx催化劑形成的致密團(tuán)聚體是造成陽(yáng)極催化層內(nèi)高傳輸損失的根本原因，進(jìn)而針對(duì)性的進(jìn)行團(tuán)聚體調(diào)控，實(shí)現(xiàn)高效的陽(yáng)極催化層內(nèi)的氧氣氣泡管理。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)分子自組裝的方法實(shí)現(xiàn)了疏松的IrOx一次團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，在IrOx-離聚物二次團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，分別引入了納米尺度空穴和亞微米尺度孔洞，強(qiáng)化氣泡成核過(guò)程，縮短溶解氧傳輸距離。基于搭建的原位氣泡行為可視化表征系統(tǒng)，調(diào)控后的陽(yáng)極催化層表現(xiàn)出高效的氣泡氧傳輸和溶解氧傳輸特征，大幅降低了傳輸損失。在PEM制氫電解池中，團(tuán)聚體調(diào)控將傳輸損失降低90%，實(shí)現(xiàn)7 A cm−2 @ 2.07 V的超高電流密度運(yùn)行，催化劑利用率提升至0.078 gIr kW−1，達(dá)到了國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)提出的2026年P(guān)EM電解制氫性能指標(biāo)(0.1 gIr kW−1)。
研究工作獲國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科技重大專項(xiàng)的資助，并得到了上海交通大學(xué)致遠(yuǎn)創(chuàng)新研究中心和上海同步輻射光源的技術(shù)支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202401588
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