三维层级多孔碳基析氢电极性能及传输特性研究

Water electrolysis, as an efficient and clean technology for hydrogen production, has been extensively studied in recent years. Currently, the catalytic activity of non-precious metal and carbon-based catalysts is close to or even higher than that of platinum, but their practical performance in hydrogen evolution electrodes is still far from satisfying the needs of applications. In this proposal, we will mainly focus on the coupling relationship between multi-component transport (e.g. ion transport, dynamic behavior of the hydrogen bubble and gas-liquid two-phase flow) and hydrogen evolution performance of electrodes. Considering the challenges such as low utilization rate of electrochemical active sites and high ion transport resistance, we propose a three-dimensional (3D) electrode with hierarchical porous structure and superaerophobic surface based on 3D printing technology to improve the electrochemical activity and mass transport. The effect of multi-component mass transport (e.g. ion diffusion, bubble dynamics and gas-liquid two-phase flow) on the electrochemical performance of electrode will be studied experimentally. Based on the mass and charge conservation equation, we will try to establish a theoretical model to describe mass transport and electrochemical reaction in electrode. These models are promising in analyzing the interaction between the pore structure, the superaerophobic surface, the mass transport and the hydrogen evolution performance.

水电解析氢作为一种高效清洁的制氢技术，近年来得到了广泛的研究。目前，非贵金属和碳基析氢催化剂的催化活性已经接近甚至超过铂金属，但在实际析氢电极条件下，其性能远远无法满足工程应用需求。本项目将重点考虑氢电极的离子传输、气泡动力学行为以及电极内气-液两相流动等多组分传输与催化剂电化学析氢性能的耦合关系，针对目前碳基电极电化学活性位点利用率低和电极内部离子传输阻力大等问题，本项目创新性的提出了基于3D打印技术的具有超疏气表面特性的三维层级多孔电极结构，通过超疏气表面和层级孔隙结构的构建，实现电极电化学活性和物质传输的强化。实验将研究离子传输、气泡动力学行为和气-液两相流动在电极内的耦合传输过程对电极电化学析氢性能的影响；并基于能质守恒、电荷守恒等关系建立描述电极物质传输、电化学反应的理论模型，分析电极超疏气表面、孔隙结构、物质传输和电极析氢性能之间的作用关系。

水电解析氢是一种高效清洁的电化学能源转换技术，在消纳可再生能源电力和制氢方面极具应用潜力。针对当前析氢电极性能较低、无法满足工程应用这一瓶颈问题，本项目重点研究了氢电极的离子传输、气泡动力学行为以及电极内气-液两相流动等多组分传输与电化学析氢性能的耦合关系。在催化剂层面通过微观孔隙结构的构建显著增强了碳基电极活性位点可及性和强化了电极内部离子传递；在电极层面探究了电极超疏气表面、孔隙结构、物质传输和电极析氢性能之间的作用关系，揭示了离子传输、气泡动力学行为和气-液两相流动在电极内的耦合传输过程对电极电化学析氢性能的影响规律；并初步探究了析氢电极在电解系统内部电势匹配与性能的相互影响关系。主要的研究成果包括：①开发了金属钌掺杂的石墨烯/共价有机框架复合催化剂，制备了钌纳米颗粒掺杂的硫化钼/乙炔黑异质结催化剂，以及设计了多孔碳球负载的过渡金属催化剂，强化了催化剂内部离子传递、活性位点可及性；②构建了多孔析氢电极内外荷电粒子传递、电化学动力学及多相流动等多场耦合理论模型，探究了碱性电解池条件下、缓冲液条件下电极内外离子传递、气液两相流动及电化学转化特性。③研究了电解水析氢解耦系统内析氢电极与析氧阳极、电子中介体及系统整体性能的匹配性。④构建了包含析氢反应的二氧化碳电解还原理论模型，揭示了体系内部复杂离子传递与均相反应、包含氢气与一氧化碳的气液两相流动以及析氢、二氧化碳电化学还原反应的相互作用关系，将析氢理论模型进一步拓展到二氧化碳还原研究，丰富了电解析氢理论模型。本项目的研究结果有助于加深对电解析氢电极多相多组分物质传输与转化机理的理解，为电解制氢电极的设计和工程应用提供理论和技术支持。本项目完成项目目标工作，共计发表SCI论文11篇（一区7篇，2区3篇，第一标注8篇，第二标注3篇），参加国内外相关学术会议2次，申请发明专利14件，培养研究生3名。