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Nat. Commun.：高性能双极膜中水离解催化剂的设计原理2022-08-09
水解离（WD, H2O→H+ + OH–）是双极膜（bipolar membranes, BPMs）中限制能源效率的核心过程。尽管电场和催化效应都被用来描述WD，但是两者的相互作用以及WD催化剂的基本设计原则仍不清楚。

 

基于此，美国俄勒冈州立大学Shannon W. Boettcher（通讯作者）等人报道了新的BPM设计原则，这些原则源自对定义明确的定制BPM架构的数值模拟和测量，这些架构具有受控的WD催化剂负载、粒度、组成和电性能。
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作者发现对于TiO2等半导体纳米颗粒，存在明显的最佳负载/厚度范围，~10-30 μg cm-2（~200-600 nm厚度）和粒径（20-30 nm），在此范围内性能显著下降。对于电子导体，包括锑掺杂氧化锡（ATO）、IrOx和Pt纳米颗粒，最佳负载量要高得多（>100 μg cm-2），最佳性能窗口更宽。
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在（电断开的）BPM结内的WD催化剂层的移动电子似乎屏蔽并将电场聚焦到AEL|WD-催化剂和WD-催化剂|CEL界面处的狭窄区域，加速催化WD。与预期相反，作者发现粒径<20 nm的TiO2会降低性能，其提供了可以发生WD反应的更高表面积，这也可以通过电场效应来解释。
通过共同控制这些参数，作者展示了锐钛矿TiO2 WD催化剂层，使BPM纯水电解槽在电流密度为500 mA cm-2下产生O2和H2，在2 V以下的创纪录低电压。这些先进的BPM可能会加速新的电渗析、碳捕获和碳利用技术的部署。
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Design principles for water dissociation catalysts in high-performance bipolar membranes. Nat. Commun., 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-31429-7.
https://doi.org/10.1038/s41467-022-31429-7.

 

 

 

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