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略，成為今后較長時期內能源綠色低碳轉型的總抓手。可再生能源發電系統耦合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、運行可靠等諸多優點，尤其是所具有的高度靈活性及優異的功率調節功能，非常契合風、光、水等可再生能源波動性。面對大規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境下，表現出合理的催化活性和穩定性。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