纳米通道电极促进PEM电解水的界面传输
劳伦斯伯克利国家实验室Peng Xiong 2024 Joule
DOI: 10.1016/j.joule.2024.06.005
研究背景 文章探讨了质子交换膜水解离（PEM）的挑战，特别是质子和氧气传输的问题，以及现有电极设计的局限性，这些限制了催化剂的利用率和系统的整体效率。
研究方法
通过有限间隙电解槽研究质子传输。
使用扫描电子显微镜分析电极表面形态。
飞秒激光刻蚀技术在多孔传输层PTE上创建纳米通道，改善界面传输。
水蒸气供应电解实验评估纳米通道电极在不同湿度条件下的性能。
研究思路 研究首先识别了PEM水解离中的传输障碍，然后提出并实施了纳米通道电极的设计，通过实验验证其改善质子和氧气传输的效果，以及在高电流密度和长期操作中的耐用性。
主要内容
揭示了水相在质子传输中的作用。
实现了纳米通道电极的制造，以增强电极与PEM之间的界面传输。
展示了纳米通道电极在高电流密度下优越的电解性能和稳定性。
研究结论
纳米通道电极显著提高了质子和氧气的传输，降低了接触电阻。
在性能和耐用性方面，纳米通道电极优于传统电极。
创新点
利用飞秒激光技术创建纳米通道，改善界面传输。
纳米通道电极设计提高了催化剂利用率和电解器效率。
研究局限 虽然纳米通道电极有显著优势，但其制造过程需要精细的工艺，可能增加了成本。
研究展望 未来可能关注如何优化制造工艺，降低成本，以及进一步探索纳米通道电极在不同应用场景下的性能。
可能感兴趣的问题
如何通过纳米通道优化电极的催化活性？
通过在电极的催化剂层（CL）下创建纳米通道，可以优化电极的催化活性。纳米通道通过以下方式增强催化活性：
促进水和氧气气体运输：纳米通道在PTE（多孔传输层）/PEM（质子交换膜）接口处提供额外的传输路径，从而促进水分子和氧气的扩散。这有助于更好地湿润膜并减少接触电阻。
增加电化学活性表面积（ECSA）：纳米通道电极具有更大的电化学活性表面积，这意味着催化剂可以更有效地与反应物接触，从而提高催化效率。
提高催化剂利用率：由于纳米通道改善了物质传输，催化剂粒子能够更充分地利用，减少了催化剂因局部氧气积聚而造成的效率损失。
这些改进共同提升了PEM水解器的性能，如电压降低（在9 A/cm²时降低了190 mV）和耐久性（在加速应力测试中表现出几乎无降解，并在长期操作中保持低衰退率）。通过这种方式，纳米通道电极设计为解决催化剂负载减少和提高设备性能及寿命的关键挑战提供了新思路。
2. 如何通过飞秒激光刻蚀实现纳米通道电极的制备？
飞秒激光刻蚀是纳米通道电极制备过程中的一个重要步骤。具体操作如下：
使用科赫（Coherent Libra）系统生成中心波长约为800纳米、脉冲持续时间为100飞秒的激光脉冲。
通过光学参量放大器（Coherent OpearA Solo）将激光波长转换为中心波长约530纳米，用于刻蚀。
采用焦距为500毫米的透镜聚焦光束，以获得较长的焦深。
调整中性密度滤光片来控制激光能量，设定为每个脉冲20毫焦耳（平均功率约20毫瓦）。
刻蚀路径之间的线间距保持在20毫米。
此外，为了在电极表面增加更多纳米通道，还采用了光纤激光刻蚀技术扩大电极接触膜的平台区域。光纤激光刻蚀使用的是四类光纤激光器（FIBER50FC，Full Spectrum Laser），采用交叉划线模式，线间距为0.005英寸（127微米），总共进行100次扫描以增大表面面积。激光波长为1064纳米，光斑大小为27毫米，功率为10瓦，脉冲频率为80千赫兹。
4. 飞秒激光在制备电极时如何影响电极的微观结构和功能？
飞秒激光在制备电极过程中通过纳米通道的形成改变电极的微观结构。这种激光用于在接触膜的电极表面构建纳米通道特征。激光脉冲中心波长为530纳米，聚焦在具有500毫米焦距的透镜上，以实现长焦深。激光能量调整为每个脉冲20毫焦耳（平均功率约20毫瓦）。通过调整激光路径之间的线间距为20微米，可以在电极表面分配更多的纳米通道。这种微观结构的改进增加了电极表面与膜之间的接触面积，从而可能增强电化学反应的效率和性能。纳米通道的引入还改善了电极的润湿性，降低了接触角，表明其亲水性增强，这对于电极在质子交换膜水解中的应用尤其重要。此外，纳米通道有助于减少残余过电压，提高电极的电化学性能。
3. 纳米通道电极的长期耐用性与传统电极相比如何？
纳米通道电极在1.8 A/cm²的恒定负载下运行了2,000小时，其衰减率仅为11.66 mV/h。此外，在加速应力测试（AST）中也表现出显著的耐用性优势。经过100,000个AST周期后，纳米通道电极的耐久性仍然良好。相比之下，传统电极（例如含有离子omer的电极）通常在低Ir负载下性能和耐久性较差。
这些结果表明纳米通道电极对于减少铂族金属（如铱）的使用和提高电解器效率具有重要意义，这为实现兆瓦(GW)规模的电解系统提供了可能性。然而，尽管有这些积极的发现，将材料进步转化为高效、耐用的电解器以供工业应用仍然面临显著挑战，主要难题之一是传统电极的复杂性和控制局部传输机制的缺乏理解。因此，尽管纳米通道电极在实验中表现出优异的性能和耐久性，但在实际工业规模应用的可行性还需要进一步的研究和验证。
5. 是否可以扩展这种技术到其他类型的电化学设备？
文献中没有直接提到这种纳米通道电极技术是否可以扩展到其他类型的电化学设备。然而，鉴于这项技术旨在解决质子交换膜电解水器（PEMWEs）中的界面传输问题并提高了效率和耐用性，可以推测类似的方法可能对其他依赖高效界面传输的电化学系统有潜在的应用价值。特别是那些涉及气体产生、质子转移或需要优化催化剂利用率的设备，可能会从类似的界面工程中受益。但是，具体应用需要进一步的研究和验证。
感兴趣的可以看一下Peng Xiong老师的相关研究工作：
无离聚物多孔传输电极(PTE)高效质子交换膜水电解 2023 nc
DOI:10.1038/s41467-023-40375-x
本文开发出一种新型无离聚物多孔传输电极(PTE)，其在质子交换膜水电解槽应用中表现出优异的活性与耐久性。与相同负载量的传统PTE相比，该无离聚物Ir PTE在1.8 A cm−2电流密度下的电压降低了652 mV，且在4 A cm−2电流密度下50000次循环加速应力测试后电压仅衰减29 mV，展现出卓越的耐久性。膜电极组件和微电极测试结果均表明，Ir在析氧反应过程中存在着离聚物毒化效应。因此，在催化剂层中消除离聚物不仅可以通过减缓离聚物毒化效应以提高电解槽性能，而且可以显著简化制造与回收过程。此外，该无离聚物Ir PTE设计可以在长期运行后易于更换电极，并使性能恢复至初始电解槽的性能。该研究有望为电解槽工业提供一个极具前景的范式转变，并成功部署GW级规模工厂，从而为各个行业的脱碳目标提供高成本效益的清洁氢气。
劳伦斯伯克利国家实验室：先进PEMWE的PTL多孔传输层界面设计 (qq.com)
