草酸蚀刻调控轧制钛多孔传输层微结构及其电解水性能优化研究

针对质子交换膜水电解（PEMWE）阳极钛多孔传输层（PTL）成本高、性能受限的问题，研究人员创新性地结合粉末轧制与草酸（OA）蚀刻技术，通过精确调控蚀刻时间优化表面形貌与孔隙结构。结果表明，1小时OA处理的PTL表面粗糙度（Ra）降低60%，接触电阻减少53%，孔隙率达38.5%，电解性能优于商用钛毡（2 A cm?2过电位降低31 mV）。该研究为低成本、高性能PTL的规模化制备提供了新思路，推动绿色氢能技术发展。

　　

论文解读

研究背景与意义

在全球能源结构向可再生能源转型的背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。然而，当前氢能生产仍依赖高碳排放工艺，而质子交换膜水电解（PEMWE）技术因其高效、动态响应快等优势成为绿氢生产的关键路径。但PEMWE阳极侧的钛多孔传输层（PTL）成本高昂，占系统总成本的17%，且传统PTL（如钛毡或烧结钛粉）存在孔隙率低、界面接触差等问题，制约其大规模应用。如何通过低成本工艺优化PTL的微结构与性能，成为突破技术瓶颈的核心挑战。

研究方法与技术路线

中国科学院研究人员提出“粉末轧制+草酸蚀刻”的协同策略，以氢化脱氢（HDH）钛粉为原料，通过轧制成型与烧结制备PTL基底，随后系统调控草酸（OA）蚀刻时间（0.5–2小时），结合扫描电镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术分析表面形貌与化学组成，通过压汞仪（MIP）和显微CT（Micro-CT）表征孔隙结构，最终通过电化学测试评估PEMWE单电池性能。

研究结果与发现

1. 表面形貌
OA蚀刻显著改变PTL表面特性：1小时处理的样品表面粗糙度（Ra）降低60%，接触电阻（2 MPa压力下）减少53%。SEM显示蚀刻后钛颗粒间形成微米级凹坑，增大了有效接触面积。XPS证实表面Ti⁴⁺氧化物层被部分还原为Ti³⁺，提升了电子传导能力。

2. 孔隙结构与传输性能
MIP测试表明，优化后的PTL孔隙率达38.5%（未处理样品为29.5%），且孔径分布更均匀。Micro-CT三维重建显示蚀刻形成了贯通孔道，气体渗透率提升2.3倍，有效缓解了电解过程中的气液传输阻力。

3. 电化学性能
在2 A cm^?2电流密度下，优化PTL的过电位较商用钛毡降低31 mV，且20 cm×20 cm大尺寸单件PTL的制备验证了工艺的工业化可行性。

结论与展望

该研究通过草酸蚀刻与粉末轧制的协同作用，实现了PTL微结构的精准调控，兼顾低成本（原料成本仅为钛毡的1/10）与高性能（孔隙率、导电性、传输效率同步提升），为PEMWE技术商业化提供了关键技术支撑。未来可进一步探索蚀刻剂类型、复合孔隙结构设计等方向，推动绿氢产业链降本增效。