无粘结剂rGO/AlO(OH)/Al2O3气凝胶的设计优化及其在储能应用中的突破性研究

本研究针对质子交换膜水电解槽（PEMWE）中多孔传输层（PTL）传统烧结制备方法存在的结构形态和孔隙分布控制难题，创新性地采用激光粉末床熔融（L-PBF）增材制造技术制备钛基PTL。通过显微计算机断层扫描（μCT）、压汞法（MIP）和表面形貌分析等多维度表征手段，结合原位电化学性能测试，发现L-PBF制备的PTL具有各向异性孔结构（孔隙入口直径10.91μm）、可控孔隙率（43-49%）和优化表面形貌等特征，使欧姆电阻降低21%，显著提升电解性能。该研究为电解槽组件制造提供了新范式，对绿色制氢技术发展具有重要意义。

　　

在全球能源转型和碳中和目标的推动下，绿色氢能作为清洁能源载体正受到前所未有的关注。通过可再生能源驱动的质子交换膜水电解槽（Proton Exchange Membrane Water Electrolyser, PEMWE）制备的绿氢，因其高效率、高电流密度响应和紧凑型设计等优势，成为氢能产业发展的关键技术装备。然而，PEMWE的商业化推广仍面临成本过高的问题，其中多孔传输层（Porous Transport Layer, PTL）作为核心组件，其制造工艺和性能表现直接关系到整个电解槽的效率和寿命。

传统PTL主要采用钛或不锈钢粉末烧结工艺制备，这种方法虽然成熟，但在精确控制孔隙结构、孔径分布和表面形貌方面存在明显局限。此外，烧结过程能耗高、材料利用率低，且难以实现复杂结构的一体化成型，制约了PTL性能的进一步提升。因此，开发新型制造工艺，实现PTL结构与功能的精准调控，成为PEMWE技术发展的迫切需求。

在这一背景下，来自南非斯坦林布什大学的研究团队另辟蹊径，将激光粉末床熔融（Laser-Powder Bed Fusion, L-PBF）这一金属增材制造技术引入PTL制备领域，相关研究成果发表在《Materials Today Sustainability》上。研究人员通过系统优化激光工艺参数，成功制备出具有定制化孔结构的钛基PTL，并采用多尺度表征方法与电化学测试相结合的策略，深入揭示了L-PBF制备PTL的微观结构特征及其对电解性能的影响机制。

为开展这项研究，团队主要采用了以下几项关键技术方法：首先通过实验设计（DoE）方法优化L-PBF工艺参数，使用Concept Laser 200R设备制备钛试样；采用显微CT和压汞法对PTL进行三维孔隙结构表征；通过扫描电镜和表面轮廓仪分析样品表面形貌；最后利用自制实验室规模PEMWE测试系统进行原位性能评估，并结合粒子群优化算法对极化曲线进行拟合分析。

研究结果方面，在“工艺参数与孔隙率的关联性”部分，研究人员发现体积能量密度（E_v）与样品孔隙率呈负相关关系，通过调控E_v在10-17 J/mm3范围内，可实现18-61%的孔隙率控制，最终选择E_v=12.6 J/mm3的参数制备出孔隙率为41.5%的PTL样品。

在“内部孔隙结构表征”部分，显微CT结果显示L-PBF制备的PTL具有明显的各向异性结构，孔隙和颗粒沿Z轴和Y轴方向排列，形成定向微通道，而烧结PTL则呈现均匀的各向同性结构。定量分析表明，L-PBF制备的PTL孔隙率为43.5-49.3%，低于烧结PTL的54.4-56.3%。压汞测试进一步揭示L-PBF制备的PTL具有更小的孔隙入口直径（10.91μm对比18.86μm）、更窄的孔径分布和更高的曲折度（6.06对比4.83），但渗透性较低（46.99 mD对比95.13 mD）。

在“表面特性对比分析”部分，扫描电镜显示L-PBF制备的PTL表面存在部分熔化的粉末颗粒，表面粗糙度（Ra=10.76-12.66μm）高于烧结PTL（Ra=7.89μm），且呈现独特的峰谷轮廓特征，激光扫描轨迹形成的周期性沟槽结构（间距100μm）清晰可见。

在“原位性能评估与建模”部分，电解性能测试表明，在0.4 A/cm2电流密度下，L-PBF制备的PTL使电池电压降低了约130mV。模型拟合结果显示，L-PBF制备的PTL的欧姆电阻为0.91 Ω·cm2，比烧结PTL（1.15 Ω·cm2）降低了21%，同时具有更高的电荷转移系数（0.46对比0.33）和交换电流密度（2.79×10^-5 A/cm2对比0.38×10^-5 A/cm2）。过电位分析表明，性能改善主要来自欧姆损失的降低而非活化动力学的增强。

研究结论与讨论部分强调，L-PBF技术为PTL制造提供了传统烧结无法实现的结构调控能力。各向异性的孔结构、优化的孔隙参数和独特的表面形貌共同促成了电化学性能的提升。较小的孔隙入口直径（10.91μm）处于6-13μm的最佳范围内，增强了界面接触，减少了界面电阻；43-49%的孔隙率在确保良好传输性能的同时提供了足够的导电通路；表面部分熔化的颗粒增加了与催化剂层的接触面积，提高了催化剂利用率；定向微通道为质量传输提供了优选路径，补偿了较低渗透性可能带来的限制。

这项研究的重要意义在于首次系统证明了L-PBF技术制造PTL的可行性和性能优势，为PEMWE组件的设计和制造提供了新思路。相比传统方法，L-PBF不仅能够实现性能提升，还具备减少材料浪费、降低能耗和实现复杂结构一体化成型的潜力，为下一代高性能、低成本电解槽的开发奠定了技术基础。未来研究可进一步探索不同微通道构型对两相流的影响，优化电池组装工艺以获得与工业相关性能水平，并评估实际运行条件下的长期耐久性。