Sono stati compiuti progressi nello studio dell'elettrolisi della membrana a scambio protonico per la produzione di idrogeno dall'acqua

Un team guidato da Yang Hui, ricercatore presso lo Shanghai Institute for Advanced Studies dell'Accademia cinese delle scienze, ha compiuto importanti progressi nella produzione di idrogeno mediante l'elettrolisi della membrana a scambio protonico.Il design complessivo dell'anodo con struttura ordinata a gradiente con basso carico di iridio per membrana a scambio protonicoelettrolisi dell'acqua, pubblicato su Nano Letters.

L'idroelettrolisi della membrana a scambio protonico (PEMWE) è una delle tecnologie chiave per la produzione di idrogeno a zero emissioni di carbonio.Allo stato attuale, l'elevata quantità di metallo prezioso Ir sul lato dell'anodo aumenta notevolmente il costo di PEMWE e ne limita il processo di commercializzazione.La preparazione di catalizzatori ad alta attività e basso contenuto di Ir è un metodo comune per ridurre la quantità di Ir.Tuttavia, nell'uso effettivo di PEMWE, l'elettrodo a membrana (MEA) deve essere utilizzato in condizioni di elevata densità di corrente (≥1-2 A cm-2) per garantire un'efficiente produzione di idrogeno, quindi i problemi di basso utilizzo del catalizzatore, alta la resistenza ohm e il trasferimento di massa limitato devono essere risolti contemporaneamente.La costruzione della MEA ordinata dovrebbe ridurre allo stesso tempo la cinetica elettrocatalitica, il trasferimento di massa e la perdita ohmica, che è l'obiettivo della ricerca sulle celle a combustibile a idrogeno, ma è piuttosto impegnativa.

In considerazione di ciò, dal punto di vista della progettazione dell'integrazione strutturale MEA, il team di ricerca scientifica ha proposto in modo innovativo di preparare un nuovo tipo di MEA ordinato con matrice conica a gradiente anodico e interfaccia tridimensionale membrana/strato catalitico utilizzando la tecnologia nano-imprint e statica metodo.L'array conico e la struttura dello strato catalitico gradiente hanno aumentato l'esposizione dei siti attivi;L'interfaccia gradiente e tridimensionale membrana/strato catalitico migliora la forza di legame dell'interfaccia.I vuoti disposti verticalmente forniscono un canale veloce per la trasmissione di gas e liquidi.La struttura MEA può ridurre contemporaneamente la perdita di prestazioni causata dalla cinetica elettrocatalitica, ohm e polarizzazione del trasferimento di massa.Rispetto al MEA convenzionale con un carico Ir di ​​2 mg cm-2, la struttura ordinata ha aumentato l'area elettrochimica attiva di 4,2 volte e ha ridotto il trasferimento di massa e il sovrapotenziale di polarizzazione ohmica rispettivamente del 13,9% e dell'8,7%.Il nuovo MEA ordinato ha mostrato prestazioni eccellenti di 1.801V@2A cm-2 quando il carico Ir era di soli 0,2 mg cm-2, che era paragonabile alla struttura MEA tradizionale con dieci volte il carico Ir, e ha mostrato una buona stabilità.Questo studio fornisce una nuova strategia per lo sviluppo di PEMWE con alte prestazioni, basso carico di catalizzatore di metalli nobili e lunga durata.