田纳西大学Nano Energy：All-In-One 双极板电极——葫芦娃合体变身小金刚，水解制氢一级棒- 大数跨境

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田纳西大学Nano Energy：All-In-One 双极板电极——葫芦娃合体变身小金刚，水解制氢一级棒

科学材料站

2021-09-28

导读：本文采用先进制造技术（3D打印及金属沉积）开发出一体化（all-in-one）双极板电极（AIOBE）

文章信息

一体化（all-in-one）双极板电极: 紧凑高效水电解池新概念

第一作者：杨高强，解志强，于舒乐

合作作者：李魁，李一凡，丁磊，王维天

通讯作者：张凤远*，杨高强*

单位：美国田纳西大学

研究背景

作为绿色可再生能源，氢能在燃料电池汽车、医药、以及电子等领域得到广泛应用，而质子交换膜电解池（PEMEC）可提供最有希望的高纯度高效率的制氢方法。PEMEC由膜电极（CCM）/双极板（BP）/气液扩散层（LGDL）/ 电流传输板（CD）/密封垫组成。

各部件结构复杂，加工难度大，造成了其造价昂贵的问题。高组件数量也造成组装及运行维护中的困难，同时各部件界面接触电阻（ICR）导致水解电池过电位上升，极大降低了制氢性能。且传统电极里贵金属催化剂颗粒及高分子聚合物随机分布，导致电子质子传输路径曲折以及催化剂的低利用率。

文章简介

美国田纳西大学空间研究院张凤远教授科研团队采用先进制造技术（3D打印及金属沉积）开发出一体化（all-in-one）双极板电极（AIOBE），将除质子交换膜（PEM）外所有部件融合为一体，极大降低了水电解池部件加工工序、难度、电极催化剂载量及价格，并提升了水分解制氢的效率。研究成果近日发表在学术期刊《Nano Energy》上.

文章要点

要点一：提出一体式双极板电极用于高度紧凑水电解池

研究人员通过选择性激光熔融（SLM）及溅射沉积技术制造出AIOBE，使PEMEC加工步骤从至少17步减少到3步（打印，抛光，溅射沉积催化剂）。

AIOBE表面宏观有序孔状结构可作为气体扩散层；表面具有微米尺度平整的电极可提升与PEM的接触；具有纳米尺度粗糙的催化剂层可提升催化剂表面积和利用率。

图1. （a）AIOBE实物图。（b）AIOBE有效区域设计。（c）AIOBE有效区域SEM。（e）AIOBE表面催化剂层SEM。

要点二：AIOBE产氢性能

在PEMEC水电解池测试中发现AIOBE提供极低欧姆电阻（~0.1 ohm cm2），并在在1000 mA/cm2电流密度下实现极低的过电位（1.62V），其贵金属催化剂质量活性比传统电极高出14倍。

图2. AIOBE在PEMEC中的产氢性能

要点三：AIOBE机理探析

传统PEMEC单面部件内部具有7种不同类型电阻，导致其欧姆过电势难以降下来。且传统电极内部催化剂颗粒（导电子）及高分子聚合物（导质子）随机分布，难以形成有效电子及质子传输通道，导致大量催化剂无法参与反应。

AIOBE一体式双极板电极只有一个部件，其内部电子电阻可以忽略不计，揭示了AIOBE极低的欧姆电阻。同时AIOBE表面具有纳米尺度粗糙度，使质子在有水情况下可以进行纳米尺度的自由传输，大大增加催化剂层表面的催化利用率，提供了与传统高催化剂载量电极相媲美的催化性能。

图3. （a）传统PEMEC和（b）具有一体化双极板电极AIOBE 的PEMEC的系统结构和反应位点分布

要点四：前瞻

AIOBE一体式双极板电极在电解池中被成功应用，证明了这种设计未来可用于发展紧凑高效廉价的水电解池。该研究方法对类似能源转化设备及电极设计研究亦有广泛借鉴意义，包括燃料电池，电池，氨气还原，和二氧化碳还原。

文章链接

“All-in-one bipolar electrode: A new concept for compact and efficient water electrolyzers”

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552100803X

通讯作者简介

张凤远教授。

现为田纳西大学机械航空和生物医学工程系终身教授。在南京航空航天大学分别取得本科和硕士学位, 博士毕业于日本名古屋大学。曾在特拉华大学、宾夕法尼亚州立大学、加州大学洛杉矶分校和斯坦福大学任职。张教授长期从事氢能, PEM燃料电池, PEM电解水产氢的研究和应用。他的研究兴趣包括热流体、微/纳米技术、电化学反应、电催化、氢能、电解槽、电池、多功能材料、先进制造、推进、传感器以及先进的诊断技术。他的团队开发了具有所需传输、催化、电学和热性能的薄且易控的液体/气体扩散层 (LGDL) 和催化剂涂层高性能电极 (CCLGDL)，并研究了原位微尺度高速电化学反应、界面效应和微流体技术。

第一作者简介

杨高强博士。

2018年博士毕业于美国田纳西大学张凤远教授团队，并留校任研究科学家，2020年至今在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室担任主任博后学者并主持相关课题。已发表超过40篇研究论文，H因子=18，其中包括Adv. Energy Mater., Energy Environ. Sci., Nano Energy等学术期刊杂志。主要从事水电解池及燃料电池器件优化、先进加工制造技术、电催化、先进微纳米机电系统及多功能材料等方向的研究，近五年主持及参与美国能源部重点项目超800万美元。

解志强博士。

2018年在美国路易斯安那州立大学获得机械工程博士学位。随后在田纳西大学张凤远教授课题组从事博士后研究工作。已发表研究论文37篇，其中包括Nano Energy, Chem. Eng. J. J. Mater. Chem. A, Small, ACS Appl. Mater. Interfaces, ChemSusChem等学术期刊杂志, 被引用近1300次，H因子22。长期从事水电解池，锂电池，太阳能电池等先进储能材料和器件的研究和开发。

于舒乐博士。

2017年在雪城大学获得机械工程硕士学位，并于2018年加入田纳西大学空间研究院张凤远老师的NanoHELP团队攻读博士学位。其研究重点是电化学能量转换和存储设备中材料和器件的设计与优化。

课题组介绍

张教授的NanoHELP课题组的核心技能在于热流体科学, 电化学，微/纳米技术，先进制造，3-D打印以及最新的诊断技术。该课题组致力于是开发高效，低成本，可持续的动力和推进装置，包括燃料电池，电解槽，电池，直燃发动机和电动推进器。研究的范围包括微米/纳米级新型材料, 电化学反应，电催化, 热/质量传输，流体力学，腐蚀，降解，以及MEMS / NEMS。

课题组网页：http://fzhang.utsi.edu/

课题组招聘

美国田纳西大学NanoHELP Group (http://fzhang.utsi.edu/)‎ 欢迎博士研究生和博士后，并提供全额奖学金，研究内容包括：电解产氢，电解槽、电池，电化学反应，电催化, 热/质量传输，纳米技术，微流体，多功能材料或流体力学等。

如果有兴趣，请发送个人简历和成绩单至Dr. Zhang (fzhang@utk.edu)