近日，燃料电池研究所章俊良教授团队在Advanced Energy Materials发表题为“Agglomerate Engineering to Boost PEM Water Electrolyzer Performance”的研究论文，指出造成PEM电解水制氢阳极催化层内高传质损失的根源在于致密的催化剂-离聚物团聚体结构，进而提出了电极团聚体工程(Agglomerate Engineering)概念，在团聚体尺度的调控手段方面取得重要突破，实现了高效的氧气气泡传输管理，大幅提升了电解制氢性能。论文第一作者为燃料电池研究所2021级直博生赵聪凡，通讯作者为闫晓晖副教授和章俊良教授。
作为一种具有动态特性好、产氢纯度高和稳定性强的电化学制氢技术，PEM电解水制氢技术被广泛应用。然而较高电解制氢电流密度下，由低效的氧气气泡传输造成的阳极催化层内的高传质损失，一直是制约PEM电解水制氢性能进一步提升的原因。针对上述问题，研究团队利用多尺度的表征技术和数学模型计算指出，离聚物紧密包裹IrOx催化剂形成的致密团聚体是造成阳极催化层内高传输损失的根本原因，进而针对性的进行团聚体调控，实现高效的阳极催化层内的氧气气泡管理。
团队通过分子自组装的方法实现了疏松的IrOx一次团聚体结构，在IrOx-离聚物二次团聚体结构内部，分别引入了纳米尺度空穴和亚微米尺度孔洞，强化气泡成核过程，缩短溶解氧传输距离。基于搭建的原位气泡行为可视化表征系统，调控后的阳极催化层表现出高效的气泡氧传输和溶解氧传输特征，大幅降低了传输损失。在PEM制氢电解池中，团聚体调控将传输损失降低90%，实现7 A cm−2 @ 2.07 V的超高电流密度运行，催化剂利用率提升至0.078 gIr kW−1，达到了国际可再生能源机构提出的2026年PEM电解制氢性能指标(0.1 gIr kW−1)。
研究工作获国家自然科学基金、上海市科技重大专项的资助，并得到了上海交通大学致远创新研究中心和上海同步辐射光源的技术支持。
