“膜”法！中科大「国家杰青」徐铜文，Nature子刊！实现耐久纯水电解！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2024-12-30 08:18

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双极膜(BPM)电解槽能够进行连续的水解离产生质子和氢氧化物离子。所产生的pH梯度传统上可以应用于酸/碱合成、水处理和资源回收等。对于用于水分解的商业BPM，主要存在于三个方面的挑战性问题：1.大的过电位驱动界面层的水分解；2.通过阴离子-阳离子交换层(AEL-CEL)的水和离子传输限制；3.由AEL|CEL界面问题(起泡和分层)引起的长期稳定性不足。为了降低BPM界面层的水分解过电位，在开发高效的催化剂方面已经做出了大量的努力。

此外，考虑到在高电流密度下长期运行的工业级水电解方案要求，BPM的传质限制和界面问题仍然需要从膜层工程的角度加以解决。

近日， 中国科学技术大学徐铜文 和吴亮等为了制造一个高性能和长期稳定的BPM以促进新兴的BPMEA基电解槽的应用，首先对BPM的极化和传质行为进行了建模和数值模拟，旨在从理论上指导膜层工程。在此基础上，研究人员采用超声喷涂的方法，选择市售的SnO ₂ 纳米粒子作为水解催化剂，制备了具有相同骨架的AEL和CEL组成的BPM。

得益于单极膜层的高离子电导率、尺寸稳定性和机械强度，一个厚度为20 μm的中试规模(600 cm ² )的 BPM在1000 mA cm ^-2 的高电流密度下显示了0.95 V的超低跨膜电压。

值得注意的是，尽管其超薄膜厚度，但共离子交叉得到很好的缓解，与商业Neosepta BP1 (2.71 mA cm ^-2 ，约220 μm)和FumaTech FBM (7.81 mA cm ^-2 ，约120 μm)相比，相对较低的 I _lim1 值(2.71 mA cm ^-2 ，20 μm)。从高度兼容的AEL和CEL衍生的紧密集成界面使得BPM能够连续驱动水分解超过800小时而没有发生性能下降。

BPM电渗析实验表明，在酸碱生成速率和电流效率方面，定制BPM比商业BPM具有优越性。用制造的BPM组装的流动池电解槽在1000 mA cm ^-2 下呈现2.68 V的纯水电解总电压，仅为商用Neosepta BP1 (5.40 V)的一半。

更重要的是，这种BPM电解槽在动态开关电流密度(300-500 mA cm ^-2 )下，在超过1000小时的时间内以接近100%的法拉第效率实现连续的高纯度H ₂ 生产。