Nat. Commun.:高性能双极膜中水离解催化剂的设计原理

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水解离(WD, H2O→H+ + OH-)是双极膜(bipolar membranes, BPMs)中限制能源效率的核心过程。尽管电场和催化效应都被用来描述WD,但是两者的相互作用以及WD催化剂的基本设计原则仍不清楚。


基于此,美国俄勒冈州立大学Shannon W. Boettcher(通讯作者)等人报道了新的BPM设计原则,这些原则源自对定义明确的定制BPM架构的数值模拟和测量,这些架构具有受控的WD催化剂负载、粒度、组成和电性能。
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作者发现对于TiO2等半导体纳米颗粒,存在明显的最佳负载/厚度范围,~10-30 μg cm-2(~200-600 nm厚度)和粒径(20-30 nm),在此范围内性能显著下降。对于电子导体,包括锑掺杂氧化锡(ATO)、IrOx和Pt纳米颗粒,最佳负载量要高得多(>100 μg cm-2),最佳性能窗口更宽。
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在(电断开的)BPM结内的WD催化剂层的移动电子似乎屏蔽并将电场聚焦到AEL|WD-催化剂和WD-催化剂|CEL界面处的狭窄区域,加速催化WD。与预期相反,作者发现粒径<20 nm的TiO2会降低性能,其提供了可以发生WD反应的更高表面积,这也可以通过电场效应来解释。
通过共同控制这些参数,作者展示了锐钛矿TiO2 WD催化剂层,使BPM纯水电解槽在电流密度为500 mA cm-2下产生O2和H2,在2 V以下的创纪录低电压。这些先进的BPM可能会加速新的电渗析、碳捕获和碳利用技术的部署。
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Design principles for water dissociation catalysts in high-performance bipolar membranes. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-31429-7.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31429-7.







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