平面工程构建间隙复合隔膜用于高效碱性水电解

针对碱性水电解(AWE)中传统隔膜结构稳定性不足、能耗高的问题，研究人员通过预蒸发阶段引入加热处理及TiO2/ZrO2间隙策略，开发出兼具低电阻(0.103 Ω·cm2)和高电流密度(1401 mA/cm2@1.9V)的Z8T2复合隔膜，其300小时稳定性显著优于商用Zirfon UTP500，为工业电解槽提供了操作简化的通用优化方案。

　　

氢能作为零碳能源载体，其规模化制备依赖高效电解水技术。尽管碱性水电解(AWE)技术成熟度(TRL)最高，但商用Zirfon隔膜仍存在电阻高(0.3 Ω·cm²)、电流密度受限(1053 mA/cm²)等瓶颈。传统亲水添加剂如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)虽提升润湿性，却导致隔膜延展性下降。更关键的是，预蒸发阶段工艺参数对隔膜表面形貌的影响长期被忽视，而相转化过程中粉末粒径差异的调控潜力尚未充分挖掘。

中国国家自然科学基金支持的研究团队提出"平面工程"策略，通过预蒸发加热处理结合TiO₂间隙掺杂，制备出Z_10-xT_x系列复合隔膜。采用X射线衍射(XRD)验证晶体结构，扫描电镜(SEM)表征表面形貌，电化学工作站测试面积电阻，并在80℃、30wt% KOH溶液中评估300小时运行稳定性。催化剂选用Raney Ni和镍铁双金属氢氧化物(NiFe-LDH)，通过水热法合成。

表面形貌调控机制
预蒸发阶段引入50℃加热处理，使聚砜(PSF)基隔膜表面孔隙率降低46%，接触角减小32°，形成致密平整结构。SEM显示加热组样品表面粗糙度(Ra)从1.2μm降至0.4μm，气泡点压力(BPP)提升至4.8 bar，较未加热组提高2.3倍。

间隙策略的结构优化
引入粒径比ZrO₂小18%的TiO₂（Z₈T₂配比），通过粒径差异产生"滚珠效应"，使平均孔径从142nm优化至89nm，孔径分布半峰宽缩小41%。该设计同时解决PVP添加剂导致的拉伸强度下降问题，断裂伸长率提升至23.5%。

电化学性能突破
Z₈T₂在1.9V电压下电流密度达1401 mA/cm²，较Zirfon提升33%。面积电阻仅0.103 Ω·cm²，降低66%。加速衰减测试表明，400 mA/cm²电流密度下电压增幅<5%，且重复使用3次后性能衰减<8%。

该研究创新性地将催化剂领域的间隙策略应用于隔膜设计，证实加热预蒸发可普适性改善不同浆料体系的成膜质量。Z₈T₂隔膜的性能突破主要源于三重协同效应：TiO₂的粒径差异优化了浆料内应力分布，加热处理诱导的致密化表面抑制了气泡成核，而单斜相ZrO₂与PSF的界面相容性保障了长期稳定性。这项工作发表于《Progress in Natural Science: Materials International》，为工业电解槽提供了"操作简化-成分调控"双轨优化范式，尤其适用于可再生能源波动场景下的间歇式制氢系统。