纳米压印技术为质子交换膜电解水制氢有序化膜电极提供新思路

水电解制氢是一种较为方便的制取氢气的方法。在充满电解液的电解槽中通入直流电，水分子在电极上发生电化学反应，分解成氢气和氧气。

在一些电解质水溶液中通入直流电时，分解出的物质与原来的电解质完全没有关系，被分解的是作为溶剂的水，原来的电解质仍然留在水中。例如硫酸、氢氧化钠、氢氧化钾等均属于这类电解质。?

在电解水时，由于纯水的电离度很小，导电能力低，属于典型的弱电解质，所以需要加入前述电解质，以增加溶液的导电能力，使水能够顺利地电解成为氢气和氧气。

近期，上海高研院科研团队提出利用纳米压印技术结合静置法，制备一种阳极兼具梯度化锥形阵列以及三维膜/催化层界面的新型有序结构MEA。该结构MEA可同时降低电催化动力学、欧姆与传质极化造成的性能损失。本研究为开发高性能、低贵金属催化剂载量及长寿命的PEMWE提供了新策略。

纳米压印技术是一种新型的微纳加工技术。该技术通过机械转移的手段，达到了超高的分辨率，有望在未来取代传统光刻技术，成为微电子、材料领域的重要加工手段。纳米压印技术，是通过光刻胶辅助，将模板上的微纳结构转移到待加工材料上的技术。报道的加工精度已经达到2纳米，超过了传统光刻技术达到的分辨率。

由于纳米压印技术的加工过程不使用可见光或紫外光加工图案，而是使用机械手段进行图案转移，这种方法能达到很高的分辨率。报道的最高分辨率可达2纳米。此外，模板可以反复使用，无疑大大降低了加工成本，也有效缩短了加工时间。因此，纳米压印技术具有超高分辨率、易量产、低成本、一致性高的技术优点，被认为是一种有望代替现有光刻技术的加工手段。

有序化膜电极包括质子导体有序化膜电极和电子导体有序化膜电极两大类，而电子导体有序化膜电极包括催化剂材料有序化膜电极和催化剂载体材料有序化膜电极。碳纳米管有序化膜电极的另一种制备方法是在气体扩散层纤维上直接生长碳纳米管，接着沉积催化剂，该方法可以保证所有铂颗粒均与外电路有良好的电接触，大大提升Pt的利用率。

固体聚合物电解质，SPE电解水，最初用于向宇宙飞船或潜水艇供氧，或在实验室作为氢气发生器(可用于气体色谱)。核电大规模发展以后，人们利用SPE技术在用电低谷电解水产生氢，在供电高峰以SPE氢-氧燃料电池向外供电，使之成为能量贮存转换装置。

电解纯水

通过直接电解纯水产生高纯氢气(不加碱)，电解池只电解纯水即可产氢。通电后，电解池阴极产氢气，阳极产氧气，氢气进入氢/水分离器。氧气排入大气。氢/水分离器将氢气和水分离。氢气进入干燥器除湿后，经稳压阀、调节阀调整到额定压力(0.02～0.45Mpa可调)由出口输出。电解池的产氢压力由传感器控制在0.45Mpa左右，当压力达到设定值时，电解池电源供应切断;压力下降，低于设定值时电源恢复供电。

质子交换膜(Proton Exchange Membrane，PEM)是质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)的核心部件，对电池性能起着关键作用。它不仅具有阻隔作用，还具有传导质子的作用。全质子交换膜主要用氟磺酸型质子交换膜;nafion重铸膜;非氟聚合物质子交换膜;新型复合质子交换膜等。

质子交换膜燃料电池具有工作温度低、启动快、比功率高、结构简单、操作方便等优点，被公认为电动汽车、固定发电站等的首 选能源。在燃料电池内部，质子交换膜为质子的迁移和输送提供通道，使得质子经过膜从阳极到达阴极，与外电路的电子转移构成回路，向外界提供电流，因此质子交换膜的性能对燃料电池的性能起着非常重要的作用，它的好坏直接影响电池的使用寿命。

迄今最常用的质子交换膜(PEMFC)仍然是美国杜邦公司的Nafion®膜，具有质子电导率高和化学稳定性好的优点，目前PEMFC大多采用Nafion®等全氟磺酸膜，国内装配PEMFC所用的PEM主要依靠进口。但Nafion®类膜仍存在下述缺点：

(1)制作困难、成本高，全氟物质的合成和磺化都非常困难，而且在成膜过程中的水解、磺化容易使聚合物变性、降解，使得成膜困难，导致成本较高;

(2)对温度和含水量要求高，Nafion®系列膜的最佳工作温度为70～90℃，超过此温度会使其含水量急剧降低，导电性迅速下降，阻碍了通过适当提高工作温度来提高电极反应速度和克服催化剂中毒的难题;

(3)某些碳氢化合物，如甲醇等，渗透率较高，不适合用作直接甲醇燃料电池(DMFC)的质子交换膜。

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