全氟磺酸离聚物修饰光阳极的水蒸气供给光电化学分解水系统中相对湿度的关键影响

为解决干旱地区液态水稀缺制约太阳能制氢的难题，研究人员通过构建全氟磺酸离聚物(PFSA)修饰的SrTiO3多孔光阳极，系统探究了水蒸气压力与温度对质子传导及光电化学(PEC)性能的影响。研究发现相对湿度(RH)通过调控表面离聚物层的局部质子传导效率，而非膜电阻，成为决定PEC性能的关键因素，为干旱环境太阳能制氢提供了新策略。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为实现碳中和的关键路径。然而，干旱地区虽拥有丰富的太阳能资源，却面临液态水匮乏的严峻挑战。传统光电化学(PEC)系统依赖液态电解质，难以在沙漠等缺水环境中应用。如何利用大气中的水蒸气实现高效制氢，成为亟待解决的科学难题。东京都市大学的Keisuke Tsushiro团队在《Catalysis Today》发表的研究，首次揭示了相对湿度(RH)对全氟磺酸离聚物(PFSA)修饰光阳极的气相PEC系统的调控机制。

研究团队采用多孔钛酸锶(SrTiO₃)光阳极，通过水热法将二氧化钛纳米管阵列转化为SrTiO₃颗粒，并涂覆PFSA离聚物构建质子传导网络。利用质子交换膜(PEM)组装膜电极(MEA)，在365 nm紫外光照射下，系统考察了不同水蒸气压力和温度下的光电响应特性。通过电化学阻抗谱、吸附等温线测试和在线气相色谱分析，揭示了RH与质子传导的构效关系。

3.1. STO光电极结构

SEM-EDS分析显示PFSA离聚物均匀覆盖SrTiO₃多孔骨架，在纤维间隙形成连续质子传导通道。XRD证实水热法成功将TiO₂转化为钙钛矿结构的SrTiO₃，其3.2 eV带隙适合紫外光驱动反应。

3.2. 水蒸气压力影响

在27°C条件下，IPCE值随RH升高从16%增至20%，与MEA电阻降低呈正相关。但阻抗分析表明，光电流下降主要源于表面离聚物质子传导受阻，而非PEM体相电阻。

3.3. Nafion膜厚度效应

对比183 μm(N117)与50.8 μm(NRE212)膜发现，尽管薄膜电阻降低50%，IPCE值无显著差异，证实表面离聚物局部质子传导(非欧姆损耗)是限速步骤。水蒸气吸附实验显示离聚物含水量与IPCE无线性关系，而质子电导率在<0.2 mS/cm时与IPCE呈正比。

3.4. 温度效应

恒压3.0 kPa时，75°C使RH从95%(25°C)骤降至10%，导致IPCE从18%跌至5%。高温加速光电流衰减，但维持高RH(90%)可使75°C下IPCE恢复至18%，证明RH是决定性参数。

3.5. RH调控

跨温度(30-75°C)实验表明，IPCE随RH提升呈现相似增长曲线，50°C与30°C在相同RH下IPCE值重合。MEA质子电导率仅依赖RH而与温度无关，但高温低RH会加剧PFSA离聚物的光氧化降解。

该研究突破性地指出，气相PEC系统的性能优化应聚焦于光电极表面离聚物的质子传导微环境，而非传统认知的膜电阻控制。通过设计新型表面电解质材料，实现在低RH下维持高质子传导率，将为干旱地区大气水直接制氢提供关键技术支撑。研究同时发现SrTiO₃较TiO₂更能抑制离聚物降解，为光阳极材料选择提供了重要依据。这些发现对开发适用于极端环境的大规模太阳能制氢系统具有里程碑意义。