—— 汽车产业链供需平台 ——
首页 > 资讯 > 新能源 > 俄勒冈大学团队提高双极膜催化水解离性能

俄勒冈大学团队提高双极膜催化水解离性能

2020-07-11 来源:盖世汽车 

图片1.png

(图片来源:greencarcongress)

盖世汽车讯 据外媒报道,俄勒冈大学研究人员成功提高双极膜的催化水解离性能。此项研究为打造电化学装置提供路线图,可受益于双极膜的关键特性,即在装置内部产生质子和氢氧根离子,并将这些离子直接供给电极,以生产最终的化学产品。

研究人员Oener等人表示,在双极膜(BPM)中,共聚阳离子交换层(CEL)与阴离子交换层(AEL)相接触。其中,CEL层由固定阴离子基团和可移动阳离子组成,而AEL层由固定阳离子基团和可移动阴离子组成。当对BPM施加足够的偏压时,在AEL/CEL界面处会发生异溶性水解离,即H2O→H+ + OH-,然后,H+通过CEL层, OH-通过AEL

双极膜技术出现于20世纪50年代,即在层状的离子交换聚合物中间,夹着一个水解离催化剂层。这种技术已经在工业领域小规模应用,但是,由于需要在低电流密度下进行操作,其进一步发展受到限制。

俄勒冈大学的化学和生物化学系教授、俄勒冈州电化学中心创始负责人Shannon W.Boettcher表示,这些应用设备可以利用水和电产生氢气、从海水中捕获二氧化碳,或直接利用二氧化碳中生产碳基燃料。

主要研究人员Sebastian Z.Oener表示,一般来说,在整个系统中,诸如电池、燃料电池和电解槽等水基电化学设备在单一pH值下运行。该系统要么是酸性的,要么是碱性的。“因此,通常需要使用昂贵的贵重金属来催化电极反应,如地球上最稀有的金属之一铱;或者牺牲催化剂活性,增加电化学反应器所需的能量输入。双极膜可以在理想的pH环境中,对每种电催化剂进行局部操作,从而克服这类问题。“

研究团队使用一种膜电极组装,将聚合物双极膜压缩在两个坚固的多孔电极之间。通过这种方法,可以制作大量具有不同水解离催化剂层的双极膜,并精确地测量每一层的活性。

研究团队发现,每个催化剂层在双极膜连接处的确切位置,即双极膜中氢氧化物导电层和质子导电层之间的界面,会显著影响催化剂的活性。他们在此基础上,利用催化剂双层膜,打造性能优良的双极膜,这种双极膜可以将水基本分离,而不产生额外的能量损失。研究人员Shannon Boettcher称:”最令人惊讶的是,可以通过将不同类型的催化剂层层叠加在一起,显著改善其性能。这很简单,但还没有得到充分的探索。“

Oener说,第二个关键发现是,在双极膜内发生的水解离反应,与电催化剂表面发生的反应存在基础性关联,比如在基本pH条件下制造氢燃料时,可以从水分子中直接提取质子。”这是独特的,以前电化学反应中发生的各个步骤不可能分离。它们相互关联,包括电子和中间产物,并且连续进行。通过双极膜结构,我们可以单独进行水解离的化学步骤,并进行单独研究。“

他说,这一发现也可能改进电催化剂,用于从水中直接制造还原燃料的反应,例如利用二氧化碳废气来制造氢气或液体燃料。

Boettcher说,这些发现提供了试验性机械模型,可以打开这个领域,并激发更多的研究。目前,研究人员正在为他们开发的双极膜技术申请专利。