以地球丰富的水解离催化剂制备先进双极膜，实现耐用安培级水电解

为解决双极膜水电解（BPMWE）中水解离过电位高和稳定性不足的问题，研究人员探究不同 TiO2晶相作界面催化剂的效果。结果表明，含金红石 TiO2的双极膜性能优异，该研究推动 BPMWE 技术发展，助力工业制氢。

　　在当今追求可持续能源的时代，氢气作为一种清洁、高效的能源载体，备受瞩目。通过水电解制取绿色氢气，被视为实现可持续能源发展的关键路径。然而，传统的水电解技术，如碱性电解，存在着诸多弊端。其使用的液体电解质和较厚的多孔隔膜会带来高欧姆损耗，限制了电流密度和整体效率；而且，高压操作和缓慢的负载响应特性，使其难以适应多变的可再生能源。质子交换膜水电解（PEMWE）和阴离子交换膜水电解（AEMWE）虽然有零间隙配置、低欧姆损耗等优势，但单一的 pH 环境影响了电极反应中析氢反应（HER）和析氧反应（OER）催化剂的性能。比如，在不同 pH 值下，HER 催化剂的交换电流密度差异巨大，而在酸性条件下进行高效 OER 需要昂贵的贵金属催化剂，许多过渡金属基 OER 催化剂仅在碱性环境中稳定。

为了解决这些问题，来自国内的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于双极膜（BPMs），这种先进的离子交换膜由阳离子和阴离子交换层组成，中间夹着界面水解离（WD）催化剂层，能在不同电极室创造不同 pH 环境，理论上可优化催化剂性能。但 BPMs 存在水解离过电位高的问题，严重影响其在水电解中的应用。研究人员针对此，深入探究了三种二氧化钛（TiO₂）晶相 —— 锐钛矿、金红石和无定形，作为 BPMs 界面催化剂的效果。

该研究采用了多种关键技术方法。首先，通过超声喷涂法制备双极膜，精确控制膜层厚度和催化剂负载量。其次，运用 X 射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等对 TiO₂的结构和形貌进行表征。此外，利用线性扫描伏安法（LSV）记录 I-V 曲线评估双极膜的电化学行为，通过电化学阻抗谱（EIS）分析膜的电阻组成。在膜电极组件（MEA）的制备和测试中，研究人员严格控制条件，以评估双极膜在水电解中的性能。

在研究结果部分，对 TiO₂的表征发现，锐钛矿和金红石 TiO₂呈现出明确的纳米颗粒形态，无定形 TiO₂则具有独特的片状结构。金红石 TiO₂在界面层的分散最为均匀，聚集现象最少。通过 I-V 曲线测试，确定了不同 TiO₂晶相的最佳负载量，其中金红石和锐钛矿 TiO₂为 60 μg cm^-2，无定形 TiO₂为 140 μg cm^-2。对比不同双极膜的性能，含金红石 TiO₂的双极膜（BPM@60 r-TiO₂）在 90 mA cm^-2时跨膜电压最低，仅为 0.76V，展现出最佳的水解离效率。EIS 分析表明，BPM@60 r-TiO₂的水解离电阻（R_WDR）最低，离子迁移时间（τ_tr）最短，离子迁移速率最快。在 MEA 水电解槽测试中，以纯水为进料时，BPM@60 r-TiO₂在 3V、80°C 条件下电流密度可达 2300 mA cm^-2；以酸碱为进料时，电流密度更是高达 4500 mA cm^-2。而且，在 1000 mA cm^-2的电流密度下，该双极膜能稳定运行 200 小时，这一耐久性在纯水双极电解槽中表现十分突出。

研究结论和讨论部分指出，金红石 TiO₂作为 BPMs 的界面催化剂，在水解离能力、电流密度和长期稳定性方面表现卓越。这一研究成果为设计和开发基于 BPM 的水电解槽提供了新的思路，有望满足工业规模应用对性能和耐久性的严格要求，推动 BPMWE 技术的发展，为实现可持续能源转型贡献力量。该研究成果发表在《Advanced Membranes》，为相关领域的研究提供了重要参考，也为未来进一步优化双极膜性能、降低制氢成本指明了方向。