蘇州納米所周小春團(tuán)隊AEM:通過多功能雜化的Nafion納米陣列大幅提升有序化膜電極性能
質(zhì)子交換膜電解水(PEMWE)制氫相比于傳統(tǒng)的甲烷熱重整制氫更加綠色環(huán)保,并且相對于堿性電解水制氫具有更高的轉(zhuǎn)換效率和更長的壽命,因此被認(rèn)為是非常具有前景的制氫方法。其中有序化結(jié)構(gòu)因其能夠降低催化劑載量,提升PEMWE的性能而備受關(guān)注。目前,有序化結(jié)構(gòu)可以分為有序化電子導(dǎo)體和有序化質(zhì)子導(dǎo)體。然而單組分的有序化結(jié)構(gòu)不能夠滿足PEMWE復(fù)雜的實際運行情況。
近日,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所周小春研究員團(tuán)隊對現(xiàn)有有序化結(jié)構(gòu)存在的問題進(jìn)行了分析,并且針對有序化質(zhì)子導(dǎo)體提出了雜化Nafion陣列的解決方案。該工作通過摻雜TiO2顆粒到Nafion乳液中,然后使用納米壓印技術(shù)成功制備雜化Nafion陣列(如圖1)。雜化的Nafion陣列呈現(xiàn)圓錐形貌,底部直徑約為400 nm,高約為1000 nm,陣列表面從光滑變得粗糙。
不同尺寸的TiO2將會造成不同的摻雜結(jié)果,進(jìn)而影響雜化有序化膜電極在PEMWE中的性能。實驗結(jié)果顯示,小尺寸的TiO2能夠良好的分散在陣列中,且會使得陣列形成粗糙表面,增大了Nafion陣列的表面積;中尺寸的TiO2能夠摻雜到陣列中,但是對于陣列表面影響較??;大尺寸的TiO2則完全不能摻雜到陣列中(見圖2)。將TiO2摻雜到Nafion陣列中后,其表面粗糙度和表面積相比于未摻雜的分別提高了264.5%和55.9%(圖3)。這一優(yōu)勢在PEMWE上得到了良好的驗證。在Ir催化劑負(fù)載量極低(14.4 g cm-2)的情況下,雜化有序化膜電極的最大電流密度能夠達(dá)到2.48 A cm-2@2 V,質(zhì)量活性高達(dá)172.2 A mgIr-1。因此,這種雜化有序化膜電極能夠顯著降低催化劑載量,提高PEMWE的性能。其次,在同等條件下進(jìn)行長時間穩(wěn)定性運行的結(jié)果表明,雜化有序化膜電極的衰減明顯低于未雜化有序化膜電極。而且,借助SEM可以觀察到摻雜了TiO2的Nafion陣列依舊能夠保持陣列形貌,而未摻雜的則出現(xiàn)明顯的陣列團(tuán)聚。
圖1. 雜化有序化膜電極的制備流程和摻雜前后Nafion陣列的相關(guān)表征
圖2. 摻雜TiO2粒徑雜化Nafion陣列和相對應(yīng)的雜化有序化膜電極的影響
圖3. 未摻雜和摻雜TiO2的Nafion陣列的AFM圖像和電化學(xué)表征
圖4. 未雜化與雜化有序化膜電極的穩(wěn)定性測試分析
相關(guān)工作以Hybrid 3D-Ordered Membrane Electrode Assembly (MEA) with Highly Stable Structure, Enlarged Interface, and Ultralow Ir Loading by Doping Nano TiO2 Nanoparticles for Water Electrolyzer為題發(fā)表在Advanced Energy Materials上。中國科學(xué)院蘇州納米所與上海大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)碩士生劉譯陽、中國科學(xué)院蘇州納米所副研究員田彬與博士后寧凡迪為論文的共同第一作者,周小春研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、蘇州市碳達(dá)峰碳中和科技支撐重點專項等項目資助,同時得到了中國科學(xué)院蘇州納米所納米真空互聯(lián)實驗站(Nano-X)提供的測試幫助。
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