近日🍒，恒行3平台環境科學與工程學院喬錦麗教授團隊在堿性水電解製氫領域取得重要進展，相關成果以“超1000小時壽命的親水皮膚層改性高性能堿水電解製氫薄型鋯基復合隔膜製備新策略”(Porous PVA skin-covered thin Zirfon-type separator as a new approach boosting high-rate alkaline water electrolysis beyond 1000 hours’ lifespan)為題發表在國際電化學領域著名期刊《eScience》上。研究人員通過表面工程協同雙調控策略成功開發出具有親水多孔皮膚層的薄型鋯基復合隔膜(V-Zirfon-350)。通過對植入造孔劑含量和分子量的雙重調控，在復合隔膜表面構建了具有獨特的mm級3D交錯型納-微孔結構🌠，建立了快速離子通道以促進電解質運輸，同時有效改善了復合隔膜氫氧化物導電性與氣體阻隔性🎁。該論文第一作者為環境科學與工程學院博士生羅希。
（V-Zirfon-350復合隔膜製備流程示意圖）
水電解是21世紀製氫領域最有前途的技術。氫作為一種理想的能量載體，具有高熱值和能量密度、清潔🪨、無汙染的等優點🤲🏻。因此，水電解也被定義為綠色氫的唯一來源🕵🏼。室溫下的水電解可分為堿性水電解（AWE）🔕、質子交換膜水電解（PEMWE）和陰離子交換膜水電解（AEMWE）😯。傳統的AWE由於其較低的投資成本和成熟的技術已經商業化幾十年🎶， 目前仍然被認為是大規模製氫最可行的方案🤳🏽。
本研究通過表面工程在鋯基隔膜的表面澆鑄多孔親水皮膚層策略🚪，製備出新型V-Zirfon薄型復合隔膜(V-Zirfon-350)。通過造孔劑分子量和組成比雙重調控🙆，無需額外的交聯劑即可構建穩定的親水皮膚層🐬🫛。深入研究了親水皮膚層內微孔結構的形態和大小對復合隔膜親水性/堿吸附特性以及OH-導電性/抗氣體交叉性能的影響。研究表明🧘🏿♂️，在60℃條件下📺，30% KOH電解液的極化特性證實了新型V-Zirfon薄型復合隔膜可以顯著降低歐姆電阻👋🏽。這種薄型V-Zirfon-350隔膜在60 ℃、500 mA/cm2條件下經150 h的加速老化測試，電解槽平均電壓保持在1.9 V🚈4️⃣。進一步對工業標準的AWE🫵🏼𓀉，匹配先進電極80 ℃、800mA/cm2條件下可穩定運行300h，平均槽壓保持在1.8 V，電壓波動僅為86 μV/h👨🏻。特別值得一提的是，串聯兩個電解槽（100 X 100 cm2）可獲得僅3.5 V的低槽壓，並且在模擬苛刻的工況條件下運行超過1300小時。優異的性能說明通過層級多孔親水皮膚層表面工程，可實現皮膚層內豐富的3D交錯層級微納孔結構和鋯基隔膜在納米/微觀尺度上的通孔結構的協同。據我們所知，這是首次在AWE中實現表面修飾的鋯基隔膜並且在實際變工況條件下具有上千小時的長壽命優異性能，為薄型鋯基復合隔膜的實際應用提供了可靠數據支撐。
（V-Zirfon-350復合隔膜孔徑分布😽💂🏿♂️、電解質滲透機製示意圖以及表面與截面形貌）
論文第一作者羅希告訴記者⬆️，科研不僅僅是一項工作，更是一段充滿探索、挑戰和成長的旅程。堅定的信念和對科學的熱愛顯得尤為重要♛。只有持之以恒，耐得住寂寞才能在一次次失敗中找到成功的曙光🩺。通過大量閱讀文獻、參加學術會議和與同行交流🔢，不斷更新自己的知識儲備，拓寬研究的視野，才能為自己的科研工作註入新的靈感和思路。
（V-Zirfon-350復合隔膜在模擬苛刻工況條件下的優異電解水製氫性能）
該工作通過表面工程成功構建了厚度微米級的具有層級多孔親水皮膚層的薄型Zirfon基復合隔膜材料（V-zirfon-350）♋️🌗，具有高的 KOH 吸收率（>90%）、低的面電阻（~0.2 cm2）和超低的電解質滲透通量密度(0.52 L·cm-2·s-1@0.5 bar)🖐🏽，遠優於商用Zirfon UTP500+隔膜。協同高效電極和先進電解槽作用下，V-Zirfon-350隔膜表現出1300 mA/cm2@2.0V的高電流密度。進一步在兩室串聯的電解槽中，並且模擬苛刻的工況條件連續高低溫切換運行超1300h，槽壓僅為3.5V。本文為鋯基復合隔膜的親水多孔皮膚層工程、製備技術與應用提供了一種新的策略。該工作得到了國家重點研發計劃項目（2022YFE0138900）👩🏻🦽➡️🙆🏽♂️、國家自然科學基金（21972017）和上海市“科技創新行動計劃”基礎研究領域重點項目（19JC1410500）的支持。