[00112980]定向结构非氟膜电极水电解制氢

氢不但目前是应用广泛的工业气体,更是未来无碳“能源循环”蓝图中的理想能源载体。为了构建清洁、可持续的新能源体系,需要研发可再生的制氢技术。目前主流的制氢技术依赖于化石原料,包括煤的气化、天然气或石油裂解气转换、甲醇变换等,属不可再生制氢技术。而可再生制氢技术有水电解、闭环热化学降解、生物质催化气化和光催化水分解等,但其中多数在技术上尚不成熟。 水电解是发展最早、相对成熟的可再生制氢技术。特别是基于聚合物电解质膜的水电解（又称膜电极水电解）,有效率高、产氢强度高、氢纯度高、腐蚀性低等显著优势,因此被认为是未来电解制氢的主导技术。目前聚合物电解质膜水电解大多数采用全氟磺酸质子交换膜（主要为DuPont公司生产的Nafion膜）,因为这种膜质子导电率和机械强度高,并且抗腐蚀性能极佳。但是全氟磺酸膜价格昂贵（Nafion117膜700 $/m2）,而且报废后的处置费用也因为含氟而昂贵。 本成果属于基于非氟电解质膜的水电解制氢技术,通过关键材料的合理选择和核心部件的结构优化提高制氢的效率并降低其成本,以提升该技术的经济竞争力。 具体创新性成果主要为： 1)通过双溶剂方法实现了铸膜液中离子聚合物的自组装,进而利用外电场制备出结构定向的磺化聚醚醚酮质子交换膜,所得质子交换膜兼具高电导率及高机械强度。 2)以磺化聚醚醚酮离聚物保证催化层与磺化聚醚醚酮膜的界面相容性以及低成本,通过电催化剂颗粒的定向促进催化剂的充分利用,制备出以磺化聚醚醚酮离聚物为粘合剂的结构定向催化层电极。 3)制备出定向结构的高性能磺化聚醚醚酮膜电极,验证了非氟膜电极电解水制氢的可行性和稳定性。 因此本成果的技术特点为,采用结构定向的磺化聚醚醚酮膜和磺化聚醚醚酮离聚物为质子导电相并且结构定向的催化层构成膜电极。所得膜电极表现出优异的水电解性能。80℃和1.7V池电压下,水电解电流可以达到600mA/cm2;2.0V池电压下水电解电流可以达到1500mA/cm2。而所得膜电极成本约为基于全氟磺酸的膜电极的二分之一。 本研究成果若得以实际应用,将向市场提供廉价高效纯水电解制氢技术,预期部分取代现行的高碳足迹制氢方法,为相关的发电、化工、建材、半导体、核技术等工业的低碳化发展做出贡献;还将为燃料电池提供清洁和可持续的氢源,从而推动燃料电池技术的广泛应用;另将贡献于以氢为能源载体的未来无碳清洁能源体系。