最高效的水制氢方法我国主要制氢方法

第一作者：Fatemeh Razmjooei
通讯作者：Fatemeh Razmjooei
通讯单位：德国航空航天中心工程热力学研究所
【最高效的水制氢方法我国主要制氢方法】碱性水电解(AWE)和质子交换膜水电解(PEMWE)是目前主要的工业化水电解技术。其中，AWE技术最为成熟，且不使用稀缺材料，但它的缺点是生产速率低、瞬态灵活性有限和设计笨重。虽然PEMWE克服了AWE的上述挑战，但其成本却十分高昂。阴离子交换膜水电解(AEMWE)可以将AWE的低成本材料与PEMWE的紧凑设计和瞬态能力相结合。目前所有的研究工作都集中在提高膜的电导率和电催化剂的活性上，以提高AEMWE系统的整体性能。然而，通过优化其他电解槽组件或电解槽设计，AEMWE的性能仍有很大的改进空间，而这一点一直被人们所忽视。
在此背景下，德国航空航天中心工程热力学研究所的Fatemeh Razmjooei教授等人提出了一种在多孔传输层(PTL)上引入镍基背衬层(NiMPL-PTL)的方法，并从根本上提高了在纯水条件下运作的电解槽的性能。由于NiMPL-PTL具有低曲折度，降低了毛细管压力和泡点，从而降低了传输极化。此外，NiMPL-PTL通过增加多孔传输层和膜电极组件(MEA)之间的接触面积来降低界面接触电阻(ICR) 。因此，与类似的配备有贵金属或非贵金属基催化剂的MEA的AEMWE电解槽相比，NiMPL-PTL的使用带来了可观的性能提升。相关研究成果以“Increasing the performance of an anion-exchange membrane electrolyzer operating in pure water with a nickel-based microporous layer”为题发表在Joule上。
1、NiMPL-PTL的制备和表征
多孔镍基背衬层（NiMPL）是通过使用空气等离子喷涂(APS)技术，在金属PTL顶部喷涂球状雾化镍基粉末制备得到。图1描述了使用直流等离子喷涂方法制备多功能NiMPL-PTL的示意图。从图1A和1B中可以看出，使用APS工艺将镍基合金沉积在了PTL的顶部。图1C显示了装备有NiMPL-PTL的AEMWE电解槽的结构示意图。从中可以看出，NiMPL-PTL作为多功能PTL层，可以降低界面接触电阻并减轻传质问题，从而提高电解槽的整体性能。

图1. NiMPL-PTL的制备和AEMWE电解槽的组装：(A)通过APS技术在PTL上喷涂NiMPL的示意图；(B)热喷涂涂层的结构示意图；(C)带有NiMPL-PTL的AEMWE电解槽的结构示意图。
图2A显示了带有和不带有NiMPL的多孔传输层的XRD图。可以观察到，对于NiMPL-PTL，存在明显的镍和石墨烯的特征峰，表明PTL基板被镍基层完全覆盖。一些额外的小峰归因于NiO，其强度明显低于纯Ni峰，表明在热等离子喷涂过程中的表面钝化和Ni的部分氧化。图2A'和2A"中样品的表面SEM图像清楚地表明，在等离子喷涂过程中，PTL基板完全被NiMPL覆盖。图2B中NiMPL-PTL的横截面SEM图像表明NiMPL显著减小了PTL的孔径尺寸。这可以使得多孔传输层和膜电极组件之间的接触面积增大，并降低电解槽中的接触电阻，从而提高AEMWE电解槽的整体性能。从图2C中可以看出，Ni基合金的大部分球状颗粒在沉积过程中熔化，从而产生了厚度约为80 μm的多孔NiMPL涂层。