我院乔锦丽教授课题组在《eScience》 发表最新研究成果

近日，我院乔锦丽教授课题组在碱性水电解制氢领域取得重要突破。相关成果以“Porous PVA skin-covered thin Zirfon-type separator as a new approach boosting high-rate alkaline water electrolysis beyond 1000 hours’ lifespan”为题发表在eScience期刊（影响因子：42.9）

调节锆基复合隔膜孔结构对于促进高电解效率碱性电解槽的发展至关重要。然而，如何实现隔膜厚度，电流密度和阻气性之间的“tread off”问题是目前学术界和工业界面临的一个巨大挑战。基于此，我院乔锦丽教授课题组通过表面工程策略，在锆基隔膜表面构建具有厚度微米级的亲水层级多孔皮肤层，成功开发出新型PVA-Zirfon薄型复合隔膜(PVA-Zirfon-350)（图1）。

图1 PVA-Zirfon-350复合隔膜制备流程示意图

   基于高分子在凝固浴中快速聚集并溶解，从而形成鲜明层状分层多孔结构，这种结构可以通过造孔剂分子量和含量的双重调控便利实现（图2c-h），其独特的层状多孔结构可以促进电解质的有效传质，同时增强气体渗透阻力（图2）。

图2 (a) 压汞法测得UTP500+、Original和PZ5-K30隔膜的进汞增量曲线与孔径的关系，(b)电解液通过PVA-Zirfon-350隔膜示意图，(c,f) PZ5-K15，(d,g) PZ5-K30和(e,h) PZ5-K90的表面和截面形貌的扫面电镜图像。

图3 (a)ZirfonUTP500+、Original、PZ0和PZ5-K30隔膜的极化曲线，(b) ASR和(c) Nyquist阻抗图，(d) 500 mA/cm²条件下PZ5-K30的电解电压随时间的变化曲线（60℃，30%KOH。插图为商业AWE电解槽的示意图）。

  PVA-Zirfon-350隔膜具有高的 KOH 吸收率（>90%）、低的面电阻（~0.2 cm²）和低电解质渗透通量密度(0.52 L·cm^-2·s^-1@0.5 bar)，远优于商用Zirfon UTP500+隔膜。协同高效电极和先进电解槽作用下，PVA-Zirfon-350隔膜表现出1300mA/cm²@2.0V的高电流密度，并且在800mA/cm²电流密度下，连续电解300h无衰减。进一步在两室串联的电解槽中，模拟苛刻工况条件运行超1300h，槽压仅为3.5V。本文为锆基复合隔膜的亲水多孔皮肤层工程、制备技术与应用提供了一种新的策略。该工作得到了国家重点研发计划项目（2022YFE0138900）、国家自然科学基金（21972017）和上海市“科技创新行动计划”基础研究领域重点项目（19JC1410500）的支持。

论文第一作者为我院博士生罗希，乔锦丽教授为通讯人。