高电流密度下质子交换膜电解水(proton exchange membrane water electrolysis, PEMWE)易因气泡阻塞而性能恶化, 多孔传输层(porous transport layer, PTL)是实现气泡有效管理的关键组件之一. 传统商业PTL多采用单一润湿性设计, 难以同时满足气体快速排出与液态水高效补充的需求, 从而限制了PEMWE的性能提升. 本研究提出了一种基于掩膜法和PTFE疏水处理的亲/疏水非均质PTL, 通过调控局部润湿性分布, 有效解决了气液竞争传输通道导致的气泡堵塞问题. 研究表明, 在4 A/cm2的高电流密度条件下, 亲/疏水非均质PTL电解电压为2.291 V, 相比于商业亲水PTL降低105.4 mV, 其中传质损失减少56.2%, 展现出优异的反应与传质性能. 进一步采用格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)开展PTL中气液两相传输行为模拟, 研究发现, 亲水区域主要作为液态水的连续供给路径, 而疏水区域则优先形成气体排出通道. 这种润湿性分区策略为气液两相提供了相对独立的传输路径, 从而在结构上保障了气泡的快速脱离与反应界面的持续润湿. 该亲/疏水非均质PTL设计为PEMWE在不同电流密度下实现气液传输有效调控提供了一种新思路, 对推进高性能电解水制氢技术具有一定的参考价值.
Sun et al. (Sun,) studied this question.