PEM纯水电解制氢催化材料制备机理、微结构调控及多相界面研究

Hydrogen production from proton exchange membrane (PEM) water electrolysis for has certain advantages, such as higher efficiency, higher purity, and better safety and reliability, and thus can be used as the energy storage and conversion devices combining with solar power and wind power generation. However, the resrarch deficiency of electro catalytic materials, microstructure and multiple interface confines the industrialization process serviously. The research of key scientific issues including preparation and structural characteristics of novel supported catalyst,assisting mechanism and loading mode of support and multiple interface will promote the evolution of PEM water electrolysis. The project takes advantage of the interactive support, strong metal-support interaction and synergistic catalysis to explore preparation mechanism and controlled microstructure of novel supported catalyst. Meanwhile, multifunctional layer (catalyst and gas diffusion layer) giradient catalytic and mass transfer mechanism was used to study processing technology of integrated catalyst and gas diffusion layer. The PEM water electrolysis overall performance and lifetime will be increased by means of the multiple interface research. The objective of this work will provide the theory and technic support for the hydrogen production by water electrolysis and hydrogen reduction metallurgy.Besides,it has particular theoretical significance and application for the industrialization process of PEM water electrolysis.

质子交换膜纯水电解制氢，具有效率高、气体纯度高、安全可靠寿命长等优点，可与太阳能、风能发电等联用做为储能和能量转化装置。然而，电解制氢析氧过程电催化剂材料、微结构、多相界面等因素不足制约了质子交换膜纯水电解的工业化进程。新型非贵金属催化剂制备、担载型纳米电催化剂结构特性、载体的助催化机制以及负载方式、多相界面等关键科学问题的研究有助于质子交换膜纯水电解的发展。本项目主要依据载体与活性组分的交互式支持、金属-载体强相互作用（SMSI）理论、协同催化理论，探索新型担载型催化剂的制备机理以及微结构调控，并基于多功能层（催化层、扩散层）梯度催化与传质机理，探索一体化催化层、扩散层制备工艺；通过多相界面的研究，提高质子交换膜纯水电解的系统整体性能与寿命。本研究工作将对水解制氢理论及氢还原冶金研究提供理论和技术支持，并对质子交换膜纯水电解制氢的工业化进程具有一定理论意义和应用价值。

质子交换膜(PEM)水电解制氢技术具有效率高、气体纯度高、安全可靠和寿命长等优点,可与太阳能、风能发电等联用作为储能和能量转化装置,被视为未来能源和环境协调发展的重要选择。然而,电解制氢过程电催化材料可逆性差、反应动力学过程缓慢以及微结构、多相界面等因素不足制约了PEM水电解制氢的工业化进程。本项目以提高析氧与析氢电催化活性，及催化层内电催化材料利用率为目标，从材料组分与微结构出发，依据电催化反应进程，优化电催化材料和催化层内部的电子、质子和气液传输过程。.首先，研究了活性组分IrO2的物化性质及其析氧电催化活性，采用复合载体思路，探索载体材料组分与微结构的可控制备方法，考察载体材料与活性组分交互支持作用对电催化活性的影响机理。IrO2最优煅烧制备温度是500℃，80℃，2 A cm-2，该温度制备催化剂载量1.5 mg cm-2，单池测试槽压为1.72 V。制备三维有序大孔的氧化物载体与混合荷电载体。相比于纯的二氧化铱催化剂，电催化复合材料的析氧催化活性提高大约6倍。采用静电纺丝的方法和后续煅烧过程制备了锑掺杂二氧化锡多孔结构纳米纤维，相比纳米颗粒结构，活性组分得到更好地分散，并促进活性组分表面荷电传输和气、液传输过程。单池测试表明，相比纯的二氧化铱催化剂，复合载体材料负载型电催化剂显示出较好的析氧活性。80℃，2 A cm-2下，槽压分别下降了60 mV和100 mV。其次，开展非贵金属Ni-P析氢电催化材料研究，所制备的非晶态Ni-P具有良好的析氢活性，电流密度20 mA cm-2下过电位为262 mV vs NHE。经300℃煅烧处理后所得的混晶结构镍磷粉体，析氢活性得到进一步提升，电流密度20 mA cm-2下过电位为154 mV vs NHE（镍磷载量为2 mg cm-2）。最后，优化了催化层中质子导电聚合物的添加量，在Nafion骨架中引入高质子电导率的磷钨酸铯，提升质子导电相的电导率，当催化层中电催化材料与质子导电聚合物质量比例为9:1时，获得了最佳的单池性能，80℃，2 A cm-2，槽压仅有1.59 V（载量：1.5 mg cm-2）。.本项目有助于高活性、低成本的电催化材料的研制。.