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随着全球对氢能需求的不断增长，水电解成为实现绿色氢气生产的重要途径。然而，现有技术如碱性水电解（AWE）和质子交换膜水电解（PEMWE）各有优劣：AWE成本较低但生产速率受限，而PEMWE效率高但依赖昂贵且稀缺的贵金属催化剂。本研究旨在结合两种技术的优势，开发出一种高效、低成本的新型电解体系。
成果简介
研究团队设计了一种基于流动工程化三维泡沫电极的零间隙双层电解池，利用Ni基双层泡沫电极和强制电解液流动实现了类似PEMWE的高效性能。在2 A/cm²的电流密度下，该体系的电池电压低于2 V，同时通过提升气泡排除效率显著降低了欧姆损失。这一成果为低成本、高效率的下一代碱性水电解技术提供了新的设计思路。
研究亮点
创新的三维电极设计
通过双层泡沫电极配置（细孔泡沫层结合粗孔泡沫层），优化了气泡排除路径，有效降低了欧姆阻抗。高效气泡排除机制
强制电解液流动诱导了横向流速，从而实现了气泡的快速移除，减小了气泡滞留带来的电化学活性屏蔽效应。卓越的电化学性能
在2 A/cm²的高电流密度下实现了小于2 V的电池电压，展现出媲美PEMWE的性能。低成本与可扩展性
使用Ni基电极替代贵金属催化剂，成本远低于传统PEMWE，同时具有工业规模的扩展潜力。
配图精析
图1：展示零间隙电解池的结构示意图，包括双层电极配置和电解液流动方向的详细说明。细孔泡沫层与粗孔泡沫层的结合增强了气泡排除效果。
图2：电化学极化曲线显示，增加电解液流速可有效降低欧姆阻抗，显著提高电池性能。
图3：累积概率分布图展示了本研究与文献中使用Ni基电极的Tafel斜率和欧姆电阻的比较。可以看出，Raney Ni涂层的应用显著降低了Tafel斜率，提高了电化学性能，同时优化了泡沫结构以降低欧姆阻抗。
图4：图4显示了单相和两相模拟中沿垂直方向的平均横向速度分布。模拟结果表明，在细泡沫催化层和粗泡沫传输层之间存在显著的压力差，这促进了气泡的侧向移除，从而提升了整体催化性能。
图5：图5提供了单相和两相流动情况下的速度矢量图，显示了双层区域入口处的详细情况。两相模拟表明，与单相相比，电解液中的气泡诱导了更高的侧向速度，从而增强了气泡的排出效果。
展望
本研究通过流动工程化设计，成功开发了一种高效的三维泡沫电极配置，实现了碱性水电解的性能提升。未来的研究可以结合新型电解质膜和进一步优化电极设计，以推动绿色氢能技术的工业化应用。
文献信息
期刊：Nature Communications
DOI：10.1038/s41467-024-51704-z
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-51704-z
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