清华王保国EES封面论文:在碱性膜电解水制氢领域取得重要进展

近日，清华大学化工系王保国教授团队在碱性膜电解水制氢领域取得突破，提出了有序化膜电极制备的新策略，实现了膜电极在催化层、膜层及催化层/膜层界面上的整体有序化，为高性膜电极的设计与开发提供了新思路。 

电解水被认为是一种高效、清洁的绿色制氢技术。但目前的碱性水溶液电解制氢路线存在电流密度400 mA.cm-2和能量效率较低，电解槽设备庞大，导致建设成本高等问题。王保国团队利用气泡模板法和直接膜沉积技术，制备出基于多孔泡沫金属的整体有序膜电极（图1），其结构特征为：（1）高度多孔的催化层结构；（2）孔结构与气/液扩散层和膜层垂直排列；（3）膜层超薄化（~14μm）和三维相界面。得益于三维有序化膜电极组件（MEA）的整体设计，将碱性水溶液和质子交换膜（PEM）电解水的优点有机结合；在1摩尔的氢氧化钾溶液中，施加2.0V电压时，电流密度达到4200mA cm-2。团队进一步利用碱性离聚物改善催化层与膜之间的界面特性，实现低成本的过渡金属催化剂及零间隙结构协同设计，使以纯水为介质的电解水过程，在1.9V下的电流密度达到1900mA cm−2，比现有碱性电解水增加10倍；在1000A cm-2电流密度下稳定运行超过600h（图2）。在提高电流密度的同时，显著降低电解水能耗，还实现了较长时间运行。

图1. 膜电极结构示意图 (a)传统膜电极 (b)整体有序化膜电极 (c)整体有序化膜电极的制备过程

图2. 整体有序化膜电极的电解水性能 

同时，团队进一步揭示了MEA结构及研究电解过程中的气-液-固三相传质机制，基于传质强化的界面结构优化方案，提出改善MEA性能的有效策略，对合理设计下一代碱性电解槽和高性能电化学器件提供了坚实基础。按照国家《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》指引，团队正在积极推进产业化步伐。

图3. 期刊封面 

上述成果以“碱性电解水用有序化膜电极的整体设计”为题，被该领域国际期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）以封面论文发表。论文第一作者为化工系2019级博士生万磊，通讯作者为王保国教授。工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金支持。该团队依托化学工程联合国家重点实验室平台，长期致力于可再生能源制氢“关键材料-核心部件-工业装备”的全链条科研开发。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D2EE00273F