王保国教授在《Small》发文：有序通道中的高速传质提高纯水条件下的阴离子交换膜电解水性能

有序通道中的高速传质提高纯水条件下的阴离子交换膜电解水性能

第一作者：万磊

通讯作者：王保国*

单位：清华大学化工系

传统的阳极催化层是通过向阴离子交换膜或气/液扩散层上喷涂IrO₂粉末催化剂制备，催化性能和稳定性有待提高，原因有以下几点：1）阴离子交换离聚体随机包裹IrO₂纳米粒子，形成离散曲折的OH^-传递路径，导致催化剂在阳极催化层中的利用率较低；2）碱性离聚物包覆的催化剂与气/液扩散层间的粘附力较低，导致电子转移效率较低；3）致密的催化层结构降低了反应物和产物的传质过程；4）传统电极将催化层与离子膜分成两部分，分别进行独立设计，导致阳极催化层和气/液扩散层界面的电子转移较差。

因此，高性能纯水阴离子交换膜电解水需要一种新的电极结构。与传的粉末催化剂相比，自支撑催化电极有许多优点，包括丰富的催化位点、增强电子转移能力，以及在高电流密度下的优异耐久性。据文献报道利用自支撑电极作为阳极氧析出催化层可实现优异的电解水性能。然而，由于自支撑电极不含碱性离聚物，导致催化层中缺少氢氧根离子的传递网络，难于在纯水条件下的阴离子交换膜电解水中应用。

基于此，清华大学王保国教授课题组，在国际知名期刊Small上发表题为“Construction of Integrated Electrodes with Transport Highways for Pure-Water-Fed Anion Exchange Membrane Water Electrolysis”的研究论文，博士生万磊是第一作者，王保国为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划（2020YFB1505602，2018YFE0202001）支持。

要点一：有序结构的传质通道设计与构建

如图1(b)所示，首先，采用水热法在泡沫镍上制备均匀分布的FeNi LDH纳米片阵列。垂直排列的纳米片阵列为电子传递和气/液传输提供了有效而稳定的途径。随后，利用超声喷涂设备在FeNi LDH纳米片阵列表面形成碱性离聚物的薄层，其厚度约有~5 nm。纳米片表面的碱性离聚物可在催化层内部形成氢氧根的传递网络。原始FeNi LDH纳米片阵列和负载碱性离聚物的FeNi LDH纳米片阵列的扫描及透射电镜图表明：1）原始的FeNi LDH纳米片阵列具有垂直取向且多孔的催化层形貌；2）经过负载碱性离聚物后，FeNi LDH纳米片阵列仍保持多孔的形貌，并且碱性离聚物在纳米片表面均匀分布。

要点二：碱性离聚物对“一体化”电极结构的影响

研究表明碱性离聚物含量对电极的电解性能有显著影响。因此，我们调控了碱性离聚物在FeNi LDH电极上负载量。碱性离聚物负载量的负载量调控范围为0 wt.%、10 wt.%、20 wt.%、30 wt.%和40 wt.%，对应的电极记为IE 0 wt.%、IE 10 wt.%、IE 20 wt.%、IE 30 wt.%和IE 40 wt.%。研究结果表明：1）碱性离聚物含量提高导致有序化电极表面的孔隙率和平均孔径逐渐降低；2）IE 20 wt.% 仍保持多孔的催化层形貌。

要点三：纯水条件下的阴离子交换膜电解水性能

Construction of Integrated Electrodes with Transport Highways for Pure-Water-Fed Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

https://doi.org/10.1002/smll.202200380

王保国  教授  

清华大学长聘教授、博士生导师。面向电化学能源转化与储能领域，开展膜分离和电化学工程的交叉研究，包括全钒液流电池、碱性膜电解水制氢、锌/空气电池材料与技术。兼任北京膜学会副理事长兼秘书长、《储能科学与技术》编委会副主任、《膜科学与技术》副主编、能源行业液流电池标委会委员等职。

课题组科研方向：电化学能源转化与储能

开展膜分离和电化学工程的交叉领域科学研究，揭示电化学能源材料（离子传导膜、自支撑催化电极）“化学组成—物理结构-器件性能”之间的构效关系，发展电化学能源转换与储能过程的材料、装备与基础理论。

   1）氢能：碱性膜电解水制氢技术与装备；

   2）储能：全钒液流电池技术与装备；

   3）基础理论：锌空气电池关键材料与技术

课题组网站链接：http://mec.tsinghua.edu.cn/rd/wbgktz1.htm

电化学能源转化与储能方向博士后，研究催化电极、离子膜，进行电堆技术开发。按照清华大学博士后待遇，兼顾研究业绩，报酬从优。有燃料电池、液流电池研究经验者优先。

联系人：王保国    电子邮箱：bgwang@tsinghua.edu.cn