过渡金属离子对质子交换膜水电解池性能影响机理研究

Transition metal ions contamination has become one of the main reason for decreasing the durability of the proton exchange membrane (PEM) water electrolyser, and the corresponding contamination mechanisms needs deep study urgently. In this project, we are going to study the mechanisms from the following aspects, to obtain a comprehensive and deep understanding about it. (1) Combine the electrochemical and physical characterization method, iInvestigate the specific and non-specific adsorption of transition metal ions on the catalyst surface, and analysis the mechanisms of the effect of transition metal ions on the effective catalytic interface of the catalysts. (2) Study the catalysis of transition metal ions on the H2O2 production, in order to discover the mechanisms of the effect of transition metal ions on the Nafion resin degradation. (3) Investigate the effect of transition metal ions on the PEM water electrolyser performance by both the “in-situ” and “ex-situ” characterization methods. The expected results will provide experimental support and theoretical guidance for preventing and solving the transition metal ions contamination problems, which is of great significance for improving the durability of PEM water electrolyser and promoting its development and application.

过渡金属离子污染成为影响质子交换膜（PEM）水电解池耐久性的主要原因之一，而对于污染机理认识不足的问题亟待解决。对此本课题拟从以下三方面着手，全面深入研究过渡金属离子对PEM水电解池性能的影响机制：（1）结合电化学与物理表征手段，通过考察过渡金属离子在催化剂界面的特性吸附与非特性吸附行为和（或）还原效应，研究其对催化剂有效反应界面的影响机理；（2）通过考察过渡金属离子对H2O2生成反应的催化作用，研究过渡金属离子对于PEM水电解池环境中Nafion树脂降解的影响机理；（3）采用全电解池“在线污染”法，结合多种“在线”和“离线”表征手段，原位考察过渡金属离子对PEM水电解池性能影响。本项目的完成将为PEM水电解池的过渡金属离子污染问题的有效防治提供实验依据和理论指导，对于改善PEM水电解池的耐久性、促进其发展和应用具有重要意义。

过渡金属离子污染是影响质子交换膜（PEM）水电解池耐久性的主要原因之一，但是污染机理尚不明确。本课题从以下三方面着手，全面深入研究过渡金属离子对PEM水电解池性能影响机制：（1）通过考察过渡金属离子在催化剂界面的特性吸附和（或）还原效应，研究其对催化剂有效反应界面的影响机理；（2）通过考察过渡金属离子对H2O2和HO•生成反应的催化作用，研究过渡金属离子对于PEM水电解池环境中Nafion树脂降解的影响机理；（3）采用全电解池“在线污染”法，结合多种“在线”和“离线”表征手段，原位考察过渡金属离子对PEM水电解池性能影响。研究结果表明，Fe3+污染后Pt/C-Nafion电极电化学比表面积下降主要由Fe3+占据Nafion中质子传导通道造成；析氧反应过程中产生的H2O2遇到Fe3+分解产生羟基等自由基，造成Nafion降解，其降解产物覆盖在电极表面，是Fe3+污染造成IrO2催化性能下降的主要原因；阳极进料在线污染全电解池测试结果显示，Fe3+污染可造成电解池性能显著下降，其中欧姆极化是造成电解电压升高的主要原因；硫酸溶液清洗可使污染电解池性能恢复92%；Ni2+、Cu2+与Co2+对IrO2有效活性位点影响相对Fe3+较小，主要由金属离子占据Nafion中质子传导通道造成； Ni2+对Pt/C-Nafion电极有效活性位点可产生积极的影响，推断可能是Ni2+与催化剂Pt/C的协同作用； Cu2+对Pt/C-Nafion电极有效活性位点的影响主要通过表面沉积覆盖催化剂表面，并且在沉积过程中，先发生单原子层沉积，再进行体相沉积； Co2+对Pt/C-Nafion电极有效活性位点的影响主要由占据Nafion中的质子传导通道造成。本项目的完成对于有效防治过渡金属离子污染PEM水电解池可提供实验依据和理论指导，对于改善PEM水电解池的耐久性、促进其发展和应用具有重要意义。