作者:Jingke Mo 来源:《科学进展》 发布时间:2016/12/13 13:43:16
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质子交换膜水解电池电化学反应研究获进展

 

近期,田纳西大学空间研究院纳米动力学高效推进及动力实验室张凤远教授领导的科研团队联合田纳西大学机械、航空航天和生物医学工程系,橡树岭国家实验室(ORNL),国家可再生能源实验室(NREL)和国家能源技术实验室(NETL)利用高速摄像机、光学系统和纳米加工技术,加上全新设计的质子交换膜水解电池和超薄可调气液两相扩散层,第一次观察到了质子交换膜水解电池内电化学反应和微流体两相流的实时现象,从而得到了质子交换膜水解电池内电化学反应的真实机制。由此发现,研究团队利用磁控溅射镀膜法在新型研发的超薄可调气液两相扩散层上沉积了一层15纳米厚的催化剂层,大大提高了质子交换膜水解电池催化剂层的利用率和比活性,在性能接近的情况下,将催化剂的比活性提升了50多倍。该成果于11月18日下午在线发表于《Science》的子刊《Science Advances》

氢能因清洁和高能量密度而备受关注,但氢气分子在自然界中并不存在,必须要通过人工反应制得。质子交换膜水解作为最具前景的制氢方法,由通用电气公司基于固体聚合物电解质概念于20世纪60年代首次引入。质子交换膜水解具有高效率,高生产气体纯度,紧凑的系统设计和高压操作等优势。自从通用电气公司的首次研究以来,各个研究团队都试图通过无数替代材料来解决高成本的问题。大量关于电化学反应的研究都基于三相边界理论。但是至今没有一个研究团队能够实时观测到质子交换膜水解电池电化学反应和微流体两相流的实时现象。

“基于实时观测到的质子交换膜水解电池电化学反应的现象,我们发现把催化剂放置于邻近电导体的位置能极大地提高质子交换膜水解电池的性能。”田纳西大学机械系张凤远教授称,“通过这种方式,我们能显著地降低这类电化学反应设备的费用”。

研究人员告诉记者,三相边界作为理论研究电化学反应设备反应机理的基础,需要同时具备反应物和产物的传输通道、质子和电子的导体以及催化剂,才能实现电化学的持续反应。该研究观测到了三相边界反应点的实时存在位置,此次发现能指导催化剂层的生产,极大提高催化剂的利用效率和比活性。

该成果将大幅提高质子交换膜水解电池内催化剂的利用率,降低此类设备的成本,具有广阔的应用前景。同时,该研究方法对类似电化学反应催化剂应用研究亦有广泛借鉴意义。

和张教授一起参与此项研究的还有他的博士生莫景科和康振烨,田纳西大学的机械、航空航天和生物医学工程系系主任Dr. Matthew M. Mench教授,美国国家可再生能源实验室(NREL)的副主任Dr. Johney B. Green, Jr.,以及美国橡树岭国家实验室的研究人员:Dr. Scott T. Retterer, Dr. David A. Cullen和Dr. Todd J. Toops.

该研究项目由美国能源部国家能源技术实验室基金DE-FE0011585支持,其部分实验在美国橡树岭国家实验室纳米材料科学中心的世界顶尖的纳米加工研究实验室进行。(来源:科学网)

 
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