中国科学院纳米所AEM：多功能杂化概念大幅提升有序化膜电极性能

共同第一作者：刘译阳，田彬，宁凡迪

通讯作者：周小春*

单位：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

质子交换膜电解水（PEMWE）制氢相比于传统的甲烷热重整制氢更加绿色环保，并且相对于碱性电解水制氢具有更高的转换效率和更长的寿命，因此被认为是非常具有前景的制氢方法。其中有序化结构因其能够降低催化剂载量，提升PEMWE的性能而备受关注。目前，有序化结构可以分为有序化电子导体和有序化质子导体。然而单组分的有序化结构不能够满足PEMWE复杂的实际运行情况。本篇工作探讨了掺杂的TiO₂对杂化有序化膜电极的影响，为未来有序化膜电极的进一步发展提供了科学指导。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的周小春教授，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Hybrid 3D-Ordered Membrane Electrode Assembly (MEA) with Highly Stable Structure, Enlarged Interface, and Ultralow Ir Loading by Doping Nano TiO₂ Nanoparticles for Water Electrolyzer”的研究文章。该文章对现有有序化结构存在的问题进行了分析，并且针对有序化质子导体提出了杂化Nafion阵列的解决方案（如图1）。通过掺杂TiO₂颗粒到Nafion阵列中形成的杂化Nafion阵列具有更粗糙的表面和更大的比表面积，在14.4 μg cm^-2的Ir催化剂载量下，PEMWE性能能够到达2.48 A cm^-2 @2 V。

该工作采用纳米压印技术制备杂化有序化膜电极。首先，将掺杂了TiO₂的Nafion乳液浇筑到AAO模板中。然后在140 °C下与商业膜进行复合，并且进行热退火处理；最后在水中进行揭膜，最终成功制备杂化Nafion阵列。借助SEM，TEM和EDS，观察制备的阵列呈现圆锥形貌，底部直径约为400 nm，高约为1000 nm。掺杂在其中的TiO₂均匀的分散在Nafion阵列中，并且浮现在阵列表面。通过与没有掺杂的Nafion阵列进行对比，可以看到掺杂后阵列表面从光滑变得粗糙。溅射的Ir催化剂在整个阵列表面形成了一层有一定起伏的催化层。通过XPS和EDS可以看到溅射的Ir催化剂分布在整个Nafion阵列表面。

由于不同尺寸的TiO₂将会造成不同的掺杂结果，进而影响杂化有序化膜电极在PEMWE中的性能。本工作通过TEM和激光粒度仪，对TiO₂的尺寸进行了非原位和原位的分析。结果表明，小尺寸的TiO₂能够良好的分散在阵列中，且会使得阵列形成粗糙表面，增大了Nafion阵列的表面积；中尺寸的TiO₂能够掺杂到阵列中，但是对于阵列表面影响较小；大尺寸的TiO₂则完全不能掺杂到阵列中（图2）。如图3所示，杂化Nafion阵列的表面粗糙度和表面积相比于未掺杂的分别提高了264.5%和55.9%。这一优势在PEMWE上得到了良好的印证。在Ir催化剂负载量极低的情况下，杂化有序化膜电极的最大电流密度能够达到2.48 A cm^-2@2 V，质量活性高达172.2  A mgIr⁻¹。因此，这种杂化有序化膜电极能够显著降低催化剂载量，提高PEMWE的性能。

在同等条件下，进行长时间稳定性运行。结果表明，杂化有序化膜电极的衰减明显低于未杂化有序化膜电极。而且，借助SEM可以观察到掺杂了TiO₂的Nafion阵列依旧能够保持阵列形貌，而未掺杂的则出现明显的阵列团聚。

Hybrid 3D-Ordered Membrane Electrode Assembly (MEA) with Highly Stable Structure, Enlarged Interface, and Ultralow Ir Loading by Doping Nano TiO₂ Nanoparticles for Water Electrolyzer

周小春 中国科学院苏州纳米所

刘译阳：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所与上海大学2021级联合培养硕士研究生，导师为周小春研究员和李文献教授。主要从事质子交换膜电解水相关的研究如：有序化膜电极的构建。目前已以第一作者/共同第一作者在国际期刊Adv. Energy Mater. （1篇）和中文核心期刊（1篇）发表文章2篇。

田彬：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所副研究员、硕士生导师。于2019年在中国科学院兰州化物所取得理学博士学位，2019年至2022年在美国杰克逊州立大学和香港城市大学从事博士后研究，2022年3月加入苏州纳米所工作。

目前主要从事电解水相关的研究工作，包括有序膜电极的构建、高效析氢/析氧催化体系的设计，取得了一系列研究成果。在Prog. Mater. Sci.、Adv. Energy Mater.、Appl. Catal. B、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.等国际期刊上发表SCI学术论文30余篇

宁凡迪：于2021年在中国科学技术大学取得物理化学博士学位，2021年至今年在中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所开展博士后研究。

目前主要从事轻质，高比功率质子交换膜燃料电池关的研究工作，包括有序膜电极，集流体与扩散层一体化电极，便携氢源，并取得了一系列研究成果。目前以第一作者、共同第一作者，共同通讯作者身份发表SCI论文9篇，包括Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano (2), JMCA (3), Small methods等。

课题组网站：http://www.mscatalysis.net/