质子交换膜电解水（PEMWE）制氢相比于传统的甲烷热重整制氢更加绿色环保，并且相对于碱性电解水制氢具有更高的转换效率和更长的寿命，因此被认为是非常具有前景的制氢方法。其中有序化结构因其能够降低催化剂载量，提升PEMWE的性能而备受关注。目前，有序化结构可以分为有序化电子导体和有序化质子导体。然而单组分的有序化结构不能够满足PEMWE复杂的实际运行情况。
近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所周小春研究员团队对现有有序化结构存在的问题进行了分析，并且针对有序化质子导体提出了杂化Nafion阵列的解决方案。该工作通过掺杂TiO2颗粒到Nafion乳液中，然后使用纳米压印技术成功制备杂化Nafion阵列（如图1）。杂化的Nafion阵列呈现圆锥形貌，底部直径约为400 nm，高约为1000 nm，阵列表面从光滑变得粗糙。
不同尺寸的TiO2将会造成不同的掺杂结果，进而影响杂化有序化膜电极在PEMWE中的性能。实验结果显示，小尺寸的TiO2能够良好的分散在阵列中，且会使得阵列形成粗糙表面，增大了Nafion阵列的表面积；中尺寸的TiO2能够掺杂到阵列中，但是对于阵列表面影响较小；大尺寸的TiO2则完全不能掺杂到阵列中（见图2）。将TiO2掺杂到Nafion阵列中后，其表面粗糙度和表面积相比于未掺杂的分别提高了264.5%和55.9%（图3）。这一优势在PEMWE上得到了良好的验证。在Ir催化剂负载量极低（14.4 μg cm-2）的情况下，杂化有序化膜电极的最大电流密度能够达到2.48 A cm-2@2 V，质量活性高达172.2 A mgIr？1。因此，这种杂化有序化膜电极能够显著降低催化剂载量，提高PEMWE的性能。其次，在同等条件下进行长时间稳定性运行的结果表明，杂化有序化膜电极的衰减明显低于未杂化有序化膜电极。而且，借助SEM可以观察到掺杂了TiO2的Nafion阵列依旧能够保持阵列形貌，而未掺杂的则出现明显的阵列团聚。
图1. 杂化有序化膜电极的制备流程和掺杂前后Nafion阵列的相关表征
图2. 掺杂TiO2粒径杂化Nafion阵列和相对应的杂化有序化膜电极的影响
图3. 未掺杂和掺杂TiO2的Nafion阵列的AFM图像和电化学表征
图4. 未杂化与杂化有序化膜电极的稳定性测试分析
相关工作以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为题发表在Advanced Energy Materials上。中国科学院苏州纳米所与上海大学联合培养硕士生刘译阳、中国科学院苏州纳米所副研究员田彬与博士后宁凡迪为论文的共同第一作者，周小春研究员为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、苏州市碳达峰碳中和科技支撑重点专项等项目资助，同时得到了中国科学院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）提供的测试帮助。
（中国科学院苏州纳米研究所、精准智能化学重点实验室）