通过电场驱动的微3D打印和紫外辅助的微转移技术制备有序沟槽Nafion膜，从而提升质子交换膜（PEMWE）的大规模传输性能和效率

《Fuel》：Enhancing mass transport and performance of PEMWE via ordered groove Nafion membranes fabricated by electric field-driven micro-3D printing and UV-assisted microtransfer

质子交换膜表面微结构工程：电场驱动微3D打印结合UV辅助微转移技术制备有序沟槽Nafion膜，显著提升质子交换膜水电解槽性能，氧析出过电位低至1.51 V，催化剂利用率提高，气体液体传输效率优化，实现低成本规模化制备。

　　本文介绍了一种用于质子交换膜（PEM）表面图案化的新方法，该方法结合了电场驱动（EFD）微3D打印技术与紫外辅助微转移和模板铸造工艺，旨在提高质子交换膜水电解（PEMWE）系统的效率和耐久性。PEMWE作为一种可持续的氢气生产技术，具有广阔的前景，但传统的平面PEM在催化剂利用率、质子导电性和气体-液体传输效率方面存在明显不足。通过引入表面图案化技术，可以优化这些性能，从而提升整体系统的效率。

在氢气作为清洁能源的发展过程中，其高能量密度、环境友好性和便于储存的特性使其成为可持续能源的重要候选之一。然而，氢气的生产仍然面临诸多挑战，尤其是在大规模应用方面。水电解是一种重要的制氢技术，其中PEMWE因其优异的性能、操作灵活性和更快的商业化进程而受到关注。在PEMWE系统中，膜电极组件（MEA）是核心部件，其性能直接影响到氧气析出反应（OER）的效率。传统的MEA通常采用平面PEM，这种结构导致催化剂利用率低、质子传导效率差以及气体-液体传输不畅等问题。

为了提高MEA的性能，研究者们尝试了多种表面图案化技术，如使用SiC纸粗糙化Nafion膜、喷涂涂层、等离子体处理、激光微加工以及光刻技术等。这些方法的目的是构建具有有序结构的MEA，以增强电化学反应与质量传输之间的耦合。然而，大多数研究集中在质子交换膜燃料电池（PEMFC）领域，而针对PEMWE的表面图案化研究仍较为有限。此外，传统的模板制备方法通常依赖于硅基模板，这些模板通过复杂的光刻和化学蚀刻工艺制造，不仅成本高，而且难以实现大规模生产，同时对柔性或低温基材的兼容性较差。

本文提出的方法利用电场驱动微3D打印技术，在低温条件下（低于80摄氏度）制备出具有高保真度的微结构模板，从而实现高效、低成本的PEM表面图案化。这种方法结合了EFD微3D打印的高分辨率微结构成型能力与模板铸造的广泛工艺兼容性，使得整个过程更加灵活和可定制。通过UV辅助微转移技术，可以确保微结构的精确复制，同时避免对PEM材料的破坏。这种方法不仅简化了模板的制备过程，还提高了模板的可回收性，使得整个工艺更加环保和经济。

在实验过程中，研究人员使用了多种材料，包括聚己内酯（PCL）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）以及紫外固化聚合物等。这些材料的选择基于其良好的化学稳定性和机械性能，同时具备低温加工的可行性。通过将这些材料结合使用，研究人员成功制备了具有有序沟槽结构的Nafion膜。这种结构不仅提供了丰富的质子传输通道，还形成了明确的气体-液体传输路径，从而提高了MEA的整体性能。此外，这种有序结构还扩大了电化学活性表面积，进一步增强了催化剂的利用率。

实验结果表明，使用本文提出的方法制备的MEA在100 mA·cm?2的电流密度下，氧气析出过电位仅为1.51 V，且塔菲尔斜率仅为59 mV·dec?1，显示出优异的性能。同时，MEA在150小时的运行过程中，电压衰减仅为42 μV·h?1，说明其具有良好的耐久性。这些结果表明，本文提出的方法不仅能够有效提高MEA的性能，还能够降低对贵金属催化剂的需求，从而提高系统的经济性和可持续性。

此外，本文的研究还为PEM表面工程提供了一种高精度、低成本的策略，使得PEMWE系统能够在低铱负载的情况下实现高效的运行。通过这种表面图案化技术，研究人员能够更好地控制MEA的结构，从而优化其电化学性能。这种方法的创新之处在于，它不仅实现了微结构的精确复制，还能够适应不同的基材和工艺条件，为未来的PEMWE系统设计提供了新的思路。

在MEA的结构设计方面，本文提出的方法通过构建有序沟槽结构，有效解决了传统平面PEM在气体-液体传输路径上的不足。这种结构使得气体和液体能够在特定的方向上流动，从而减少了传输路径的曲折度，提高了传输效率。同时，这种结构还能够增强催化剂与膜之间的接触，使得更多的活性位点暴露出来，进一步提高了催化剂的利用率。此外，有序沟槽结构还能够促进质子的快速传输，减少欧姆损耗和传输损耗，从而提高整个系统的效率。

本文的研究成果不仅为PEMWE技术的发展提供了新的方向，也为其他能源材料的表面工程研究提供了借鉴。通过这种创新的表面图案化方法，研究人员能够实现对MEA结构的精确控制，从而优化其电化学性能。这种方法的推广和应用有望推动氢能源技术的进一步发展，使其在实际应用中更加高效和经济。同时，这种方法的低成本和可扩展性也为大规模生产提供了可能，使得PEMWE技术能够更广泛地应用于清洁能源领域。

总的来说，本文提出的方法为PEM表面图案化提供了一种创新、高效、低成本的策略，使得MEA的性能得到显著提升。通过结合EFD微3D打印和UV辅助微转移技术，研究人员成功实现了微结构的精确复制，同时避免了传统光刻技术的高成本和复杂性。这种方法不仅提高了MEA的效率和耐久性，还降低了对贵金属催化剂的需求，为未来的氢能源技术发展提供了新的可能性。