双极膜中水分解催化剂描述符
加州大学伯克利分校Shannon W. Boettcher 2024 NM
DOI：10.1038/s41563-024-01943-8
研究背景 文章关注的是设计高效水分解催化剂，特别是针对双极膜电解器中的水解离过程。现有的方法存在高电压损耗和在高电流密度下效率低下的问题。
研究方法
选取了九种不同的金属氧化物纳米粒子催化剂，测量了它们的电导率、微观表面积和表面羟基含量。
通过多变量线性回归分析，确定这些属性与水解离过电压的关系。
开发了3纳米SnO2纳米颗粒催化剂，优化了导电性和羟基覆盖率。
研究思路 研究思路是通过材料属性（如电导率和表面羟基覆盖度）来关联和预测催化剂的性能，旨在降低水分解的过电压。
主要内容
研究了不同催化剂材料的性质，重点是电导率和表面羟基覆盖度。
通过实验和分析确定了3纳米SnO2催化剂，它在高电流密度下表现出低水解离过电压，在1.0 A cm^-2时的过电压仅为100 ± 20 mV。
研究结论
发现了关键的催化剂设计因素，有助于高性能双极膜电解器的发展。
通过材料属性关联找到了新的水解离催化剂，显著降低了过电压。
展示了新催化剂的优越性能，有潜力应用于大规模场景。
该图展示了先进的BPMWE（双向质子交换膜电解水）和电渗析设备的特性。
a部分对比了优化的BPM（双向质子交换膜）和AEM（阳离子交换膜）电解槽在低和高铂负载下的极化曲线。误差条表示三个不同设备制备时报告平均值的一个标准偏差。对于每个负载的三个设备，阳离子交换层（CEL）分别是Nafion 212、SPEEK和TESET（各一个设备），而阴离子交换层（AEL）都是TP-85。两种电解槽都注入了纯去离子水。在BPMWE和AEMWE的所有条件下，包括催化剂、温度和电极催化剂负载都相同。由于酸性HER（氢气演化反应）的快速动力学，BPMWE表现出更高的性能，但目前在性能上仍不敌使用IrO2的质子交换膜电解槽（补充讨论和数据）。电解槽在阳极和阴极两侧都在大气压下运行，流速为200毫升/分钟。
b部分显示了使用3纳米SnO2 WD催化剂的BPM的情况，其中向阴极供应0.10 M的硫酸水溶液，向阳极供应0.10 M的KOH水溶液，模拟了BPMED（双向电渗析）环境。插图描绘了实验设置，显示了酸和碱的输入。a和b部分的数据点取自三个设备的平均值，误差条表示正负一个标准偏差。
创新点
提出了一种基于材料属性的催化剂设计策略。
通过优化导电性和羟基覆盖率，成功降低了水解离过电压。
研究局限 文件中没有明确提到研究局限，但可以推测可能包括：
对其他类型催化剂的测试可能有限。
商业化应用的经济性和稳定性尚未完全评估。
研究展望 预计这项工作将推动双极膜电解器在新兴能源技术中的持续创新和应用，同时改进现有的应用。
可能感兴趣的问题
如何利用材料描述符来设计更高效的水分解催化剂？
利用材料描述符设计高效水分解催化剂的关键在于关注三个主要特性：电导率、微观表面积和表面羟基覆盖率。高电导率的催化剂能够更好地聚焦电场到水分解反应位点，而高的微观表面积提供了更多的活性位点。此外，高的表面羟基覆盖率有利于质子从水分子到催化剂以及在催化剂表面的跃迁。通过优化这些特性，并考虑催化剂层的厚度和覆盖度，可以构建出催化效率高的双极膜电解器的水分解催化剂。
2. 如何定量分析纳米粒子催化剂电导率、微观表面积和表面羟基含量？
对于纳米粒子催化剂的电导率、微观表面积和表面羟基含量的定量分析，可以通过以下方式来进行：
电导率（σ）：通过两探针电流-电压测量未烧结的纳米颗粒粉末来估计电导率。将粉末在大约1,000 psi的压力下夹在两个不锈钢圆筒之间进行测量。
微观表面积（SA）：文件中提到的微观表面积通常是通过实验方法如氮气吸附-脱附法（BET法）来测定的，尽管在这个具体的例子中没有详细描述这一过程。该方法可以提供催化剂颗粒的比表面积，即单位质量或单位体积催化剂的表面积。
表面羟基含量（COH, COH,s）：表面羟基的浓度是通过热重分析（TGA）来测量的。在低温度下观察到的质量损失被分配为脱水，而高温下的质量损失被认为是脱羟基化。计算总羟基含量（COH，以摩尔/克表示）时，假设质量变化主要由2(M-OH) → (M-O-M) + H2O反应引起。具体公式为：COH = 2 * 18 * (w2 - w1) / w1，其中w2是最终温度（约490°C）时样品的质量，w1是120°C脱水10分钟后样品的质量。
这些测量值对于理解和优化水解催化剂的性能至关重要，因为高电导率有助于传导，高表面羟基覆盖度有利于质子转移和表面水的形成。
3. 新型3纳米SnO2催化剂如何实现如此低的水解离过电压？
新型3纳米SnO2催化剂之所以能实现如此低的水解离过电压，主要是因为以下几个因素：
高电导率：3纳米SnO2催化剂具有高电子导电性，这有助于提高水解离反应的动力学速度。
微观表面积：催化剂的纳米尺度使得它具有大的比表面积，增加了活性表面区域，从而提高了催化效率。
高表面羟基覆盖：这种催化剂具有较高的表面吸附水和羟基含量，这促进了水分子在催化剂表面的解离反应。
通过优化负载量（30 μg cm⁻²），这些特性结合在一起，使得3纳米SnO2催化剂在BPM电解器中表现出优异的性能，其水解离过电压（ηwd）仅为100 ± 20 mV，在1.0 A cm⁻²的电流密度下。此外，它的性能与传统的氟碳基Nafion层相当，同时也适用于基于碳氢化合物的电解层，为商业化的先进BPM提供了更多可能性。
4. 哪些材料属性对于提高双极膜中的水解离效率至关重要？
在双极膜（Bipolar Membrane，BPM）中，提高水解离效率的关键材料属性包括：
水解离催化剂的活性：催化剂需要具有高效的催化水分子分解成氢离子（H+）和氢氧根离子（OH-）的能力。例如，Shehzad等人报道了一种屏蔽的Goethite催化剂，它能促进BPM中的快速水解离。
离子交换层的性质：薄的阳离子交换层可以改善水的传输，从而提高双极膜电解器的工作电流密度。
界面稳定性：膜与电解质之间的界面需要稳定，以防止氧化降解，如Lindquist等人讨论的离子omer在碱性环境中的氧化不稳定性。
材料的化学反应性：金属氧化物表面的羟基化对催化性能有影响，例如，Tamura等人研究了金属氧化物表面羟基化的机制。
电导率和选择性：材料需要有高的电导率以减少电阻损失，同时保持良好的离子选择性，以防止短路和效率损失，如Dinh等人提到的弱电解质中中性化短路现象。
结构控制：通过溶剂蒸汽方法控制块状离子omer的形态可以影响其性能，如Mineart等人所示。
参考电极的集成：在阴离子交换膜电解器中，参考电极的设计和不锈钢气体扩散层的影响电解效率，如Xu等人所研究的。
表面密度：如Mueller等人通过热重分析（TGA）测量的SiO2和TiO2的OH表面密度，这对理解催化性能至关重要。
这些属性共同作用，决定了BPM在水解离过程中的性能，进而影响到其在能源技术中的应用效果。
5. 双极膜电解器在能源设备中的应用前景如何？
双极膜电解器（BPM）在能源技术中的应用前景被看好。由于对双极膜基础理解的增强，以及成功实现低水解离过电位（接近热力学可逆性）和使用非氟化组件的高性能原型设备的展示，预计这将推动BPM设备在新兴能源技术领域的持续创新和应用。此外，这些发展还有助于改进目前已经在使用的BPM应用。BPM在金属去除和回收的电渗析、燃料电池和水解发生器等领域都有潜在的应用价值。随着材料科学的进步和对催化机制的深入理解，BPM在提高能效和环境可持续性方面的贡献预计将不断增长。
6. 这项工作的发现如何促进高性能双极膜电解器的商业化？
该工作的发现对于推动高性能双极膜（BPM）电解器的商业化有以下几个方面的影响：
降低水解（WD）催化效率损失（ηwd）：研究中实现了低ηwd，接近热力学可逆性，这使得BPM在运行时能更高效地进行水分解反应，减少了能量损耗，从而提高了设备的整体性能。
非氟化组件的原型设备展示：通过使用非氟化组件构建的高绩效原型设备，展示了BPM在不依赖传统含氟材料的情况下也能实现优秀性能。这为寻找更环保和可持续的替代材料提供了可能，有助于满足更严格的环保标准，促进商业化进程。
基础理解的提升：报告的基础理解加深了对BPM工作原理和优化参数的认识，为设计和制造更高效、更稳定的BPM电解器提供了理论指导，有利于技术的持续创新。
新兴能源技术的应用：这些进展预期将推动BPM在新兴能源技术领域的应用，比如金属去除和回收、电渗析等，扩大了市场潜力，增强了商业化前景。
简化复杂效应的测量方法：通过开发无混淆效应的测量平台（如消除电解液接触引起的电势差），可以更准确地评估BPM的性能，这对于确保产品质量和一致性至关重要，有助于商业化产品的标准化和质量控制。
材料选择和优化：研究确定了不同催化剂的最佳负载量，以及与电导率相关的性能指标，这为优化BPM设计提供了具体指导，可以减少试验成本，加速产品开发。
综上所述，这些发现通过提高效率、使用环保材料、提供理论依据、拓展应用领域以及优化设计，共同促进了高性能BPM电解器的商业化进程。
推荐阅读：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c00618
