มีความคืบหน้าในการศึกษาอิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนสำหรับการผลิตไฮโดรเจนจากน้ำ

ทีมที่นำโดย Yang Hui นักวิจัยจาก Shanghai Institute for Advanced Studies of the Chinese Academy of Sciences มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการผลิตไฮโดรเจนโดยอิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนการออกแบบโดยรวมของแอโนดที่มีโครงสร้างไล่ระดับสีที่มีการโหลดอิริเดียมต่ำสำหรับเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอนอิเล็กโทรไลซิสในน้ำ ตีพิมพ์ใน Nano Letters

ไฮโดรอิเล็กโทรไลซิสเมมเบรนแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEMWE) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักสำหรับการผลิตไฮโดรเจนโดยไม่มีการปล่อยคาร์บอนในปัจจุบัน Ir โลหะมีค่าในปริมาณสูงในด้านขั้วบวกจะเพิ่มต้นทุนของ PEMWE อย่างมากและจำกัดกระบวนการเชิงพาณิชย์การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีฤทธิ์สูงและมีปริมาณ Ir ต่ำเป็นวิธีการทั่วไปในการลดปริมาณ Irอย่างไรก็ตาม ในการใช้งานจริงของ PEMWE เมมเบรนอิเล็กโทรด (MEA) จะต้องดำเนินการภายใต้ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าสูง (1-2 A cm-2) เพื่อให้แน่ใจว่าการผลิตไฮโดรเจนมีประสิทธิภาพ ดังนั้นปัญหาของการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาต่ำ สูง ความต้านทานโอห์มและการถ่ายโอนมวลที่จำกัดจำเป็นต้องได้รับการแก้ไขพร้อมกันการสร้าง MEA ตามคำสั่งคาดว่าจะลดจลนพลศาสตร์ไฟฟ้า การถ่ายโอนมวล และการสูญเสียโอห์มมิกในเวลาเดียวกัน ซึ่งเป็นเป้าหมายของการวิจัยเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน แต่ก็ค่อนข้างท้าทาย

ในมุมมองนี้ จากมุมมองของการออกแบบการบูรณาการโครงสร้าง MEA ทีมวิจัยทางวิทยาศาสตร์ได้เสนอนวัตกรรมใหม่เพื่อเตรียม MEA ที่สั่งซื้อประเภทใหม่ด้วยอาร์เรย์ทรงกรวยไล่ระดับสีแอโนดและส่วนต่อประสานชั้นเมมเบรน/ตัวเร่งปฏิกิริยาสามมิติโดยใช้เทคโนโลยีนาโนอิมพรินต์และสแตติก วิธี.อาร์เรย์ทรงกรวยและโครงสร้างชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไล่ระดับสีเพิ่มการเปิดรับแสงของไซต์ที่ใช้งานอยู่ส่วนต่อประสานเลเยอร์เมมเบรน/ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบไล่ระดับสีและสามมิติช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการยึดประสานส่วนต่อประสานช่องว่างที่จัดเรียงในแนวตั้งเป็นช่องทางที่รวดเร็วสำหรับการส่งผ่านก๊าซและของเหลวโครงสร้าง MEA สามารถลดการสูญเสียประสิทธิภาพที่เกิดจากจลนพลศาสตร์ไฟฟ้า โอห์ม และโพลาไรเซชันการถ่ายโอนมวลได้พร้อมกันเมื่อเปรียบเทียบกับ MEA ทั่วไปที่มีการโหลด Ir ที่ 2 มก. ซม.-2 โครงสร้างที่สั่งเพิ่มพื้นที่แอคทีฟเคมีไฟฟ้าได้ 4.2 เท่า และลดการถ่ายโอนมวลและโพลาไรเซชันแบบโอห์มมิกเกินศักยภาพลง 13.9 % และ 8.7 % ตามลำดับMEA ที่สั่งซื้อใหม่แสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมที่ 1.801V@2A cm-2 เมื่อโหลด Ir ต่ำถึง 0.2 mg cm-2 ซึ่งเทียบได้กับโครงสร้าง MEA แบบดั้งเดิมที่มีโหลด Ir สิบเท่า และมีเสถียรภาพที่ดีการศึกษานี้เป็นกลยุทธ์ใหม่สำหรับการพัฒนา PEMWE ที่มีประสิทธิภาพสูง โหลดตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะมีตระกูลต่ำ และอายุการใช้งานยาวนาน