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在质子交换膜（PEM）水电解槽面临高电流密度下传质限制问题时，重庆大学研究人员开展 “通过表面图案化多孔传输层改善 PEM 水电解质传质” 的研究。结果显示可降低传质损失，实现高效气液传输。这为优化 PEM 水电解槽提供新方向，推动其商业化进程。
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CO2排放目标，质子交换膜水电解槽（PEMWE）技术逐渐受到关注。然而，PEMWE 的广泛应用受到使用寿命和运行成本的限制。其中，多孔传输层（PTL）在供应反应物、排出产物、传导电子和提供机械支持等方面起着关键作用，其性能优化对提高 PEMWE 的稳定性和效率至关重要。当 PEMWE 在高电流密度下运行时，气泡容易堵塞 PTL，导致水饥饿现象，覆盖催化剂层（CL）反应位点，形成局部热点，进而降低性能并缩短使用寿命 。为了解决这些问题，重庆大学的研究人员开展了通过表面图案化多孔传输层改善 PEM 水电解质传质的研究。该研究成果发表在《Cell Reports Physical Science》上，为 PEMWE 的优化设计提供了重要的理论依据和实践指导，有望推动 PEMWE 技术的商业化应用进程。
研究人员采用了多种关键技术方法。在材料制备方面，通过激光处理和聚四氟乙烯（PTFE）疏水化处理构建表面图案化钛毡。利用场发射扫描电子显微镜（SEM）和水下接触角测量等技术对钛毡的形貌和润湿性进行表征。借助线性扫描伏安法（LSV）测试其电化学性能。运用高速摄影可视化平台和数值模拟（VOF 方法）研究气泡传输过程。
下面来看具体的研究结果：
- 微观形貌和润湿性表征：表面图案化钛毡呈现条纹状结构，亮条纹为未激光处理的疏水区域，暗条纹为激光烧结处理的亲水区域。亲水条纹区域接触角为 120°，疏水区域为 33°。激光烧蚀可有效去除 PTFE，使条纹由疏水转变为亲水，这种独特的润湿性差异可能导致其具有特殊的氧气 - 水传输行为。
- 电化学性能：将表面图案化钛毡加载到阳极侧进行线性扫描伏安法（LSV）测试，与商业钛毡相比，其电压更低且上升更平稳。在高电流密度（5A/cm2）下，表面图案化钛毡电压显著降低，传质损失减少约 85.4%。通过对极化损失的分区分析发现，其欧姆损失有所降低，而传质损失的优化更为突出。
- 两相传输过程的可视化：构建高速摄影可视化平台跟踪 PEMWE 正常运行时气泡的行为。商业钛毡的气泡在电解反应过程中易合并成大气泡，导致流道堵塞；疏水钛毡的气泡虽能快速突破 PTL，但难以排出；表面图案化钛毡的气泡在疏水条纹上聚集，合并和排出速率更快，且气泡脱离位点多，平均直径更小。
- 气泡传输过程的数值模拟：采用 VOF 方法构建瞬态数值模型模拟 PTL 中气泡传输过程。模拟结果表明，由于不同润湿性结构上气泡的粘附和运动特性不同，表面图案化 PTL 中的气泡能集中在疏水条纹并径向突破 PTL，实现高效气液传输。同时，表面图案化 PTL 的氧气比例更低，液体水比例更高，确保了快速的气泡排放和及时的液体水供应。
研究结论和讨论部分指出，本研究成功构建了基于 PTFE 疏水化处理和激光加工的表面图案化钛毡，通过定制控制润湿性，有效改善了高电流密度下的传质过程。表面图案化结构加速了水的传输和气泡的排出，减小了气泡尺寸，解决了高电流密度下气泡堵塞的问题。VOF 模拟证实了表面图案化钛毡实现了氧气和液体水的分离传输路径。该研究不仅揭示了 PTL 润湿性和气泡动力学的基本原理，还为多孔介质的设计提供了指导，有助于实现低过电位的传质过程，对推动 PEMWE 技术的发展具有重要意义。
