近日，中國科學院上海高等研究院楊輝研究員團隊在質子交換膜電解水制氫研究中取得重要進展，研究成果以“Overall design of anode with gradient ordered structure with low iridium loading for proton exchange membrane water electrolysis”為題發表在材料科學綜合類期刊Nano Letters。論文的第一作者為上海高等研究院的博士研究生董姝，楊輝研究員和樂舟瑩高級工程師為通訊聯系人。

DOI:10.1021/acs.nanolett.2c03461

質子交換膜水電解 (PEMWE) 是實現零碳排放制氫的關鍵技術之一。目前，由于陽極側貴金屬Ir的高用量大幅增加了PEMWE成本，嚴重制約其商業化進程。制備高活性低Ir含量催化劑是降低Ir用量的常用方法。然而，在PEMWE實際使用過程中，膜電極(MEA)需要在高電流密度(≥1-2A?cm-2)下運行以保證高效產氫，因此需要同時解決催化劑利用率低、高歐姆電阻以及傳質受限等問題。構筑有序結構MEA有望同時降低電催化動力學、傳質和歐姆損失，是氫能燃料電池研究人員一直追求的目標，但存在巨大挑戰。

鑒于此，研究團隊從MEA結構一體化設計的角度出發，創新地提出利用納米壓印技術結合靜置法制備一種陽極兼具梯度化錐形陣列及三維膜/催化層界面的新型有序結構MEA。錐形陣列及梯度催化層結構增加了活性位點的暴露；梯度及三維膜/催化層界面增強了界面結合強度；垂直排列的空隙為氣、液傳輸提供了快速通道。

有序結構膜電極示意圖、譜學表征和水電解性能評價

該結構MEA可同時降低電催化動力學、歐姆與傳質極化造成的性能損失。與Ir載量為2mg·cm-2的傳統MEA相比，該有序結構將電化學活性面積提高至4.2倍，同時分別將傳質和歐姆極化過電位降低了13.9%和8.7%。因此，這種新型有序MEA在Ir載量低至0.2mg·cm-2時，仍表現出1.801V@2A·cm-2的優異性能，與Ir載量是其十倍的傳統結構MEA性能相當，并表現出良好的穩定性。

本研究為開發高性能、低貴金屬催化劑載量及長壽命的PEMWE提供了一個新策略。