张凤远教授， Chem.Eng. J.观点：超薄铂纳米线电极实现高效率水裂解产氢- 大数跨境

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张凤远教授， Chem.Eng. J.观点：超薄铂纳米线电极实现高效率水裂解产氢

科学材料站

2021-02-20

导读：该论文介绍了一种通过结合绿色化学合成方法和独特的超薄钛基气体传输层来简易制备超薄铂纳米线电极的方法，实现了在PEM水裂解电解池中大幅度降低催化剂载量和提升产氢效率。

文章信息

超薄铂纳米线电极实现高效率水裂解产氢

第一作者：解志强，于舒乐

通讯作者：张凤远*

单位：美国田纳西大学

研究背景

氢能作为清洁绿色的新能源拥有巨大的广泛应用前景。可持续的高效率水电解制氢技术则是实现氢能大规模低成本应用的前提和关键。质子交换膜（PEM）电解水制氢相比传统的液态碱性电解槽具有更好的氢气纯度，更高的能源效率密度和更小巧紧凑的设计等优势，但是PEM电解水制氢技术需要高载量的贵金属催化剂和复杂的电极制备。高额的成本阻碍了其实际大规模应用。

本篇论文的主要工作是通过绿色的化学合成方法制备超薄铂纳米线电极，并通过拥有高比表面积的铂纳米线结构和独特的超薄钛基气体传输层的结合，来实现低载量铂纳米线电极在PEM电解池中高效率的水裂解产氢。本文为未来的PEM电解水研究提供了一些启发和方向，有助于加速其实际商业应用的发展。

文章简介

近日，来自田纳西大学的张凤远教授NanoHELP课题组和橡树岭国家实验室，康涅狄格大学，在国际知名期刊 Chemical Engineering Journal上发表题为“Ultrathin Platinum Nanowire Based Electrodes for High-efficiency Hydrogen Generation in Practical Electrolyzer Cells” 的研究论文。

该论文介绍了一种通过结合绿色化学合成方法和独特的超薄钛基气体传输层来简易制备超薄铂纳米线电极的方法，实现了在PEM水裂解电解池中大幅度降低催化剂载量和提升产氢效率。

本文要点

要点一：绿色化学合成铂纳米线在超薄钛基气体传输层

如图1所示，传统阴极产氢电极制备的一种方法是通过喷涂，溅射或者电镀的方法将铂纳米颗粒催化剂沉积在300到500微米厚的气体传输层（比如碳纸），但传统的产氢电极的纳米颗粒催化剂和固体电解质PEM的有效接触面积受到一定限制，导致在催化剂层和PEM的接触界面之下的催化剂不能得到有效利用，从而造成催化剂的不完全利用。

另外，传统的电极在PEM电解池中系统欧姆电阻比较大，会进一步限制产氢效率。为了解决上述问题，该论文通过一种绿色化学合成方法，将铂纳米线均匀的原位生长在独特的超薄钛基气体传输层表面。相较于传统的铂纳米颗粒催化剂，铂纳米线拥有更高的电化学比表面积和催化活性，有利于降低产氢的过电势，提高产氢效率。而超薄的25微米钛基气体传输层拥有平整的表面和有规律的三角形孔结构，很好的提高了电极和PEM之间的接触，降低了其接触电阻。

图1. 聚合物电解质的固态电池在不同界面处的不稳定机理，以及降低界面不稳定性的解决方案。

要点二：超薄铂纳米线电极有利于氢气的电极表面脱附

电解水产生的气体从电解表面脱附的难易程度会直接影响系统内的传质过程，从而影响产氢效率。该论文通过先进的高速摄像系统，可视化记录并分析了在铂纳米线电极表面氢气的产生和脱附的动态过程。

如图2所示，可视化视频结果分析表明，在不同的电流密度测试条件下，相较于铂纳米颗粒电极，铂纳米线有利于减小脱附气泡的直径和提高气体的脱附速率。

图2. 高速摄像技术记录在不同电流密度测试条件下电极表面上氢气产生和脱附的动态过程照片（a-d）溅射制备的铂纳米颗粒电极，（e-h）绿色化学合成的铂纳米线电极，（i ）and（j）分别为铂纳米颗粒电极和铂纳米线电极表面产生的氢气气泡尺寸分布。

要点三：超薄铂纳米线电极有效降低系统的欧姆电阻，有利于产氢效率的提升

如图3所示，在工作温度为80度的PEM电解池测试中，该论文研究发现，在使用0.2 mg/cm2低载量铂催化剂的情况下，使用铂/碳催化剂的传统电极其欧姆电阻值约为0.35 Ω·cm2，而超薄铂纳米线电极的欧姆电阻值仅为0.12 Ω·cm2。

导致整体PEM电解池产氢的效率在1A/cm2的测试条件下从80.17%提高到90.08%，而其中欧姆电阻的大幅度降低贡献了大部分的性能提升。

图3. （a）不同阴极产氢电极在工作温度为80度测试条件下PEM电解池性能对比，（b）在0.2 A/cm2恒电流密度测试条件下的电化学阻抗谱对比。

文章链接

Ultrathin Platinum Nanowire Based Electrodes for High-efficiency Hydrogen

Generation in Practical Electrolyzer Cells

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894720344454

通讯作者介绍

张凤远教授。

现为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。张教授的主要研究方向是纳米能源结构材料和部件在能源储存和转化，长期从事PEM燃料电池, PEM电解水产氢的研究和应用。以通讯作者身份在Science Advances, Nano Energy, Advanced Energy Materials, Chemical Engineering Journal, Journal of Materials Chemistry A, Journal of Power Sources, Applied Energy 等学术刊物上发表多篇研究论文。

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和燃烧，微/纳米技术，先进制造，3-D打印以及最新的诊断技术。该小组的任务是开发高效，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。这项研究的范围从基本的了解到系统优化，用于研究微米/纳米级化学反应，热/质量传输，流体力学，新型材料，腐蚀，降解，表面/机械/化学性质以及MEMS / NEMS。

课题组网页：http://fzhang.utsi.edu/