新型SPE阴极膜电极的设计、制备及电解制氢研究

The solid polymer electrolyte(SPE) water elctrolysis is one of the most advanced technologies internationally for hydrogen production by water electrolysis.The integrated Memberane Electrode Assembly(MEA) of catalyst and ion exchange memberane is the key to SPE. The development of non-noble metal cathodic MEA with good electrocatalytic activity and stability is a key material to realize SPE water electrolysis at low cost.In this project, we will firstly prepare nano MoS2 catalysts on carbon nanofiber modified carbon paper via impregnation-reduction or electrochemical deposition methods,and then construct the integrated novel high performance hydrogen evolution MEA from Nafion membrane, catalyst and diffusion layer by hot pressing with Nafion membrane.The purpose of this project is to disclose the relationship of MEA composition-structure-electrocatalytic activity for hydrogen evolution-stability by systematic study on activation energy, overpotential of HER and kinetic parameters in electrode process in order to uncover its catalytic mechanism for HER. This work can help to provide an elementary theoretical foundation and new methods for reasonablely designing and preparing new SPE MEA material for HER with high activity, low overpotential of hydrogen evolution and good stability as well as low cost.

固体聚合物电解质(SPE)电解水技术是目前国际上最先进的水电解制氢技术之一，催化剂与离子膜一体化的膜电极组件是SPE电解技术的核心部件。开发具有良好催化活性和良好稳定性的非贵金属阴极复合膜电极是实现SPE技术低成本电解水制氢的关键材料。本项目采用浸渍-还原和电化学沉积法将纳米MoS2催化剂负载于碳纳米纤维修饰的炭纸表面，再与离子交换膜热压成形组装成Nafion膜、催化剂和扩散层三合一的新型高效析氢复合膜电极。通过电解水过程中析氢反应活化能、析氢过电位和析氢反应电极过程控制步骤的动力学参数及其影响因素的系统研究，揭示其析氢催化机理，建立阴极复合膜电极的组成－结构－析氢催化性能—稳定性之间的相互关系， 最终形成完整的析氢复合膜电极的构效关系与设计理论，为合理设计制备活性高、过电位低、性能稳定、低成本的SPE析氢复合膜电极提供初步的理论基础和新思路。

氢能源作为高效、洁净和理想的二次能源，被视为未来最有潜力的新能源以及可再生能源的最佳载体。固体聚合物电解质(SPE)水电解技术具有环境友好、纯度高、效率高等诸多优点, 发展潜力巨大, 成为未来水电解制氢研制和发展的主要方向。. 催化剂与离子膜一体化的膜电极组件是SPE电解技术的核心部件，开发具有良好催化活性和良好稳定性的非贵金属阴极复合膜电极是实现SPE技术低成本电解水制氢的关键材料。本项目以MoS2催化剂为基础，采用第一性原理计算了十种过渡金属原子掺杂MoS2的形成能，能带结构，态密度，差分电荷分布以及与M原子近邻S原子的氢吸附吉布斯自由能(ΔGH)变化。基于理论计算结果，选取Cu、Co、Sc、Ti、V、Y、Zr、Nb等八种过渡金属元素，制备了系列不同M/Mo摩尔比的M-MoS2催化电极并研究了其析氢催化性能。此外，替代传统CVD法，发展了电沉积和热处理工艺在炭纸表面原位生长制备了N掺杂碳纳米纤维（NCFCP），以此作为催化剂载体，既利用了三维网络结构碳纳米纤维的大比表面积，为MoS2催化剂的限域生长和均匀分布提供了空间和场所，同时又保持了炭纸作为扩散层的孔结构和气液流体的双向通道。以9%Co-MoS2/NCFCP复合物自支撑电极为阴极，IrO2/碳布为阳极，与Nafion115全氟磺酸质子交换膜热压成型构建了新型三合一SPE膜电极并进行了全电解水实验。10mA/cm2电流密度下电势为1.85V，控制2V电压电解3小时，平均产氢效率达到84%。. 本项目的研究结果为过渡金属掺杂MoS2催化电极的研究提供了理论和实验基础，也为高性能非贵金属析氢催化剂的设计提供了新的思路和科学依据，同时也对SPE膜电极的设计和构建进行了有益的探索。