通過(guò)電解水生產(chǎn)高純度的氫氣(H2)為緩解能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題提供了一種可持續(xù)的方法。質(zhì)子交換膜水電解(PEMWE)具有高的操作電流密度、快速啟動(dòng)和響應(yīng)，以及容易與氫氣儲(chǔ)存集成等優(yōu)點(diǎn)，引起了人們廣泛的關(guān)注。銥(Ir)及生氧化物是有效的水電解催化劑，但其低儲(chǔ)量和高昂的價(jià)格限制了它們的大規(guī)模應(yīng)用。因此，通過(guò)改進(jìn)Ir基催化劑的尺寸、形貌、組成和物相等重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)高效Ir基催化劑已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。
盡管如此，由Ir基催化劑組成的催化劑層(CLs)仍然表現(xiàn)出有限的性能，因?yàn)樗鼈兊拿鎯?nèi)導(dǎo)電性差、氣體/水輸送不足和機(jī)械穩(wěn)定性差。這導(dǎo)致PEMWE的傳統(tǒng)陽(yáng)極CL需要具有相當(dāng)高的Ir負(fù)載(1.5-2.0 mgIr cm?2)。因此，目前迫切需要開(kāi)發(fā)新策略來(lái)提高催化劑的Ir利用率、活性和穩(wěn)定性，但這仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。近日，北京大學(xué)郭少軍和呂帆等將催化劑設(shè)計(jì)重點(diǎn)從傳統(tǒng)的催化劑表面唯一調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向CL的微觀構(gòu)型，并提出了CL中的“Pd納米線結(jié)構(gòu)上的分層次IrRu亞納米片”設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)Ir負(fù)載量的大幅度降低(0.35 mgIr cm?2)，并進(jìn)一步提升了PEMWE性能。具體而言，這種分級(jí)的納米結(jié)構(gòu)確保催化劑不會(huì)緊密堆積，導(dǎo)致高度暴露的活性位點(diǎn)與有效的多相傳輸通道；此外，沿著高長(zhǎng)徑比納米線組裝的非晶態(tài)IrRu亞納米片(s-NSs)具有快速的電子轉(zhuǎn)移和與多孔傳輸層(PTL)良好接觸的優(yōu)點(diǎn)，使得集成的CLs具有低的阻抗。采用設(shè)計(jì)的CL的PEM電解槽，在1.65 V槽電壓、0.35 mgIr cm?2 Ir負(fù)載下，電流密度可達(dá)1.0 A cm?2；并在2.0 A cm?2的恒定電流密度下，它達(dá)到了70%LHV的高能量效率和連續(xù)運(yùn)行240小時(shí)幾乎沒(méi)有性能損失，優(yōu)于大多數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道的具有低Ir負(fù)載的PEMWE。為了進(jìn)一步說(shuō)明其實(shí)用性，研究人員準(zhǔn)備了一個(gè)更大的電解槽(25 cm2)，它在25.0/37.5 A電流下的產(chǎn)氫速率可達(dá)210/300 mL min-1。綜上，該項(xiàng)工作突出了由多級(jí)納米結(jié)構(gòu)組成的CL在實(shí)際PEM電解槽中的優(yōu)勢(shì)，有助于推動(dòng)PEMWE的進(jìn)一步發(fā)展。Mass-efficient catalyst layer of hierarchical sub-nanosheets on nanowire for practical proton exchange membrane electrolyzer. Joule, 2024. DOI: 10.1016/j.joule.2024.01.002
