Synergistic Engineering of Ethyl Cellulose and Etched ZrO2 Nanoparticles for Tailored Microporous Composite Membranes Toward Efficient Alkaline Water Electrolysis

材料科学 化学工程 离子电导率 电解 微型多孔材料 纤维素 聚砜 电化学 碱性水电解 离子液体 纳米颗粒 双功能 复合数 聚合物 氢氧化物 电解质 离子键合 电导率 超滤(肾) 无机化学 吸附 电极 相位反转 陶瓷 复合材料
作者
Wen Song,Junqiang Wu,Yan Du,Wanyu Yao,Maliang Zhang,Kunmei Su,Zhenhuan Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:36 (28) 被引量:2
标识
DOI:10.1002/adfm.202521698
摘要

Abstract Alkaline water electrolysis (AWE) is a mature and green technology for producing hydrogen, yet existing separators generally suffer from low ionic conductivity and insufficient mechanical stability. In this work, a synergistic design strategy is proposed by coupling a polysulfone (PSU)/ethyl cellulose (EC) blended organic framework with hydrofluoric acid etched zirconia (Et‐ZrO 2 ) nanoparticles. A differentiated microporous, ion‐conductive composite membrane is fabricated via a non‐solvent‐induced phase separation (NIPS) process, yielding a hierarchical channel structure combining finger‐like and sponge‐like pores. Hydroxyl groups in EC form continuous hydrogen‐bonding networks within the membrane, introducing the Grotthuss conduction mechanism to accelerate OH − transport. The rough cracks on the surface of Et‐ZrO 2 establish micro‐mechanical interlocking with the polymer matrix, enhancing interfacial adhesion and channel hydrophilicity. The optimally formulated EC‐3 separator exhibits a low area resistance (0.14 Ω·cm 2 ), high bubble point pressure (4.52 bar), and stable electrolysis performance, achieving a current density of 1.32 A·cm −2 at 2 V in 30 wt.% KOH at 80 °C, with hydrogen purity reaching 99.98% at 1.2 A·cm −2 , and maintaining continuous operation for 1000 h at 1.0 A·cm −2 with the cell voltage consistently below 2.2 V. Molecular dynamics simulations confirm that EC markedly strengthens the interaction between OH − and the membrane matrix, facilitates hydroxide transfer, and increases the ionic diffusion coefficient. This study achieves a balance between gas‐barrier properties and high ionic conductivity, offering a new perspective for the design and industrial application of high‐performance AWE separators.
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