相比于傳統的甲烷熱重整制氫，質子交換膜電解水（PEMWE）制氫更加綠色環保；相對于堿性電解水制氫，PEMWE制氫具有更高的轉換效率和更長的壽命。因此，PEMWE被認為是頗具前景的制氫方法。有序化結構能夠降低催化劑載量、提升PEMWE的性能，備受關注。目前，有序化結構分為有序化電子導體和有序化質子導體。然而，單組分的有序化結構無法滿足PEMWE復雜的實際運行情況。

近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員周小春團隊，對現有有序化結構存在的問題進行分析，并針對有序化質子導體提出了雜化Nafion陣列的解決方案。該工作通過摻雜TiO₂顆粒到Nafion乳液中，進而使用納米壓印技術制備雜化Nafion陣列。雜化的Nafion陣列呈現圓錐形貌，底部直徑約為400 nm，高約為1000 nm，陣列表面從光滑變得粗糙。

不同尺寸的TiO₂將造成不同的摻雜結果，影響雜化有序化膜電極在PEMWE中的性能。實驗結果顯示，小尺寸的TiO₂能夠良好地分散在陣列中，使得陣列形成粗糙表面，增大了Nafion陣列的表面積；中尺寸的TiO₂能夠摻雜到陣列中，但對于陣列表面影響較小；大尺寸的TiO₂完全不能摻雜到陣列中。研究顯示，將TiO₂摻雜到Nafion陣列中后，其表面粗糙度和表面積相比于未摻雜的分別提高了264.5%和55.9%。這一優勢在PEMWE上得到了驗證。在Ir催化劑負載量極低（14.4 μg?cm^-2）的情況下，雜化有序化膜電極的最大電流密度能夠達到2.48 A cm^-2@2 V，質量活性高達到172.2 A mg_Ir^-1。因此，這種雜化有序化膜電極能夠顯著降低催化劑載量，提高PEMWE的性能。進一步，在同等條件下進行長時間穩定性運行的結果表明，雜化有序化膜電極的衰減明顯低于未雜化有序化膜電極。同時，該研究借助SEM觀察到摻雜了TiO₂的Nafion陣列依舊能夠保持陣列形貌，而未摻雜的則出現明顯的陣列團聚。

相關研究成果以Hybrid 3D-Ordered Membrane Electrode Assembly (MEA) with Highly Stable Structure,?Enlarged?Interface,?and?Ultralow?Ir?Loading?by?Doping?Nano?TiO₂?Nanoparticles?for?Water Electrolyzer為題，發表在《先進能源材料》（Advanced Energy Materials）上。研究工作得到國家重點研發計劃、蘇州市碳達峰碳中和科技支撐重點專項等的支持，并獲得蘇州納米所納米真空互聯實驗站的測試協助。?

論文鏈接

雜化有序化膜電極的制備流程和摻雜前后Nafion陣列的相關表征

未雜化與雜化有序化膜電極的穩定性測試分析