2022年9月8日，清華大學主辦的高起點能源期刊Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)青年編委、吉林大學無機合成與制備化學國家重點實驗室鄒曉新教授課題組發(fā)表題為“Status and perspectives of key materials for PEM electrolyzer”的最新綜述，該綜述全面介紹了質子交換膜（PEM）電解槽一系列關鍵材料（包括質子交換膜、催化劑、膜電極、氣體擴散層和雙極板等）的最新研究進展、存在問題和未來研究方向。

實現“碳達峰、碳中和”已上升為我國國家戰(zhàn)略，成為今后較長時期內能源綠色低碳轉型的總抓手?？稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)耦合PEM電解水技術的路線（“綠電”+“綠氫”）被廣泛認為是實現“碳中和”的有力武器之一。PEM電解槽采用質子交換膜傳導質子，隔絕析氫和析氧電極，具有接近零間距結構，體積緊湊（圖1），使其具有電流密度高（> 1 A/cm²）、氫氣品質好（99.99%）、能量轉換效率高、能耗低、運行可靠等諸多優(yōu)點，尤其是所具有的高度靈活性及優(yōu)異的功率調節(jié)功能，非常契合風、光、水等可再生能源波動性。面對大規(guī)模消耗可再生能源與綠色制氫的重大需求，國際上已形成PEM電解水技術競爭的熱點，國際能源機構與大型公司正以前所未有的熱情廣泛布局PEM電解水技術和應用。

圖1 四種電解槽結構示意圖。(a) 堿性電解槽；(b) 質子交換膜電解槽；(c) 固體氧化物電解池；(d) 陰離子交換膜電解槽。

目前PEM電解槽的廣泛應用受到關鍵材料的限制。PEM電解槽的核心部件包括雙極板、氣體擴散層、質子交換膜以及陰極、陽極電催化劑（圖2）。由于PEM電解槽氧化性和腐蝕性的工作環(huán)境，只有少數貴金屬基電催化劑（通常為Pt和IrO₂作為陰極和陽極催化劑）才能在這樣的工況環(huán)境下，表現出合理的催化活性和穩(wěn)定性。其次，雙極板和氣體擴散層通常以鈦基材料為主，還需要鉑、金等貴金屬保護性涂層。此外，作為固體電解質的PEM通常使用昂貴的Nafion型膜。這些高成本的關鍵材料使得PEM電解槽制氫成本很高，迫切需要革新電解槽關鍵材料，提高電解水的效率，降低制氫成本。

圖2 PEM電解槽的堆芯結構以及關鍵材料。

該文章首先介紹了PEM電解槽中的熱力學和動力學基本概念，并描述了相關的能量損失（包括熱力學過電勢，活化、歐姆以及質量輸運等動力學過電勢）；然后綜述了PEM電解槽中的質子交換膜、電催化劑、膜電極、氣體擴散層和雙極板等一系列關鍵部件的研究進展及其失活/穩(wěn)定機制；最后提出了PEM電解槽中各部件的未來研究方向（圖3），包括開發(fā)低鉑的陰極催化劑和低銥的陽極催化劑，增強質子交換膜的化學、機械和熱性能，優(yōu)化膜電極的制備工藝，調整氣體擴散層的孔結構和尺寸，改進雙極板的涂層制備工藝以及流場設計等。

圖3 PEM電解槽關鍵材料的未來研究方向。

相關論文信息：

Zhang, K. X.; Liang, X.; Wang, L. N.; Sun, K.; Wang, Y. N.; Xie, Z. B.; Wu, Q. N.; Bai, X. Y.; Hamdy, M. S.; Chen, H.; Zou, X. X. Status and perspectives of key materials for PEM electrolyzer. Nano Res. Energy 2022, 1: e9120032. DOI: 10.26599/NRE.2022.9120032. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120032