2022年9月8日，清華大學(xué)主辦的高起點(diǎn)能源期刊Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)青年編委、吉林大學(xué)無(wú)機(jī)合成與制備化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhì)子交換膜（PEM）電解槽一系列關(guān)鍵材料（包括質(zhì)子交換膜、催化劑、膜電極、氣體擴(kuò)散層和雙極板等）的最新研究進(jìn)展、存在問(wèn)題和未來(lái)研究方向。
實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”已上升為我國(guó)國(guó)家戰(zhàn)略，成為今后較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的總抓手。可再生能源發(fā)電系統(tǒng)耦合PEM電解水技術(shù)的路線（“綠電”+“綠氫”）被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的有力武器之一。PEM電解槽采用質(zhì)子交換膜傳導(dǎo)質(zhì)子，隔絕析氫和析氧電極，具有接近零間距結(jié)構(gòu)，體積緊湊（圖1），使其具有電流密度高（> 1 A/cm2）、氫氣品質(zhì)好（99.99%）、能量轉(zhuǎn)換效率高、能耗低、運(yùn)行可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是所具有的高度靈活性及優(yōu)異的功率調(diào)節(jié)功能，非常契合風(fēng)、光、水等可再生能源波動(dòng)性。面對(duì)大規(guī)模消耗可再生能源與綠色制氫的重大需求，國(guó)際上已形成PEM電解水技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)，國(guó)際能源機(jī)構(gòu)與大型公司正以前所未有的熱情廣泛布局PEM電解水技術(shù)和應(yīng)用。
圖1 四種電解槽結(jié)構(gòu)示意圖。(a) 堿性電解槽；(b) 質(zhì)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(yīng)用受到關(guān)鍵材料的限制。PEM電解槽的核心部件包括雙極板、氣體擴(kuò)散層、質(zhì)子交換膜以及陰極、陽(yáng)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(shù)貴金屬基電催化劑（通常為Pt和IrO2作為陰極和陽(yáng)極催化劑）才能在這樣的工況環(huán)境下，表現(xiàn)出合理的催化活性和穩(wěn)定性。其次，雙極板和氣體擴(kuò)散層通常以鈦基材料為主，還需要鉑、金等貴金屬保護(hù)性涂層。此外，作為固體電解質(zhì)的PEM通常使用昂貴的Nafion型膜。這些高成本的關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵材料。
該文章首先介紹了PEM電解槽中的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)基本概念，并描述了相關(guān)的能量損失（包括熱力學(xué)過(guò)電勢(shì)，活化、歐姆以及質(zhì)量輸運(yùn)等動(dòng)力學(xué)過(guò)電勢(shì)）；然后綜述了PEM電解槽中的質(zhì)子交換膜、電催化劑、膜電極、氣體擴(kuò)散層和雙極板等一系列關(guān)鍵部件的研究進(jìn)展及其失活/穩(wěn)定機(jī)制；最后提出了PEM電解槽中各部件的未來(lái)研究方向（圖3），包括開(kāi)發(fā)低鉑的陰極催化劑和低銥的陽(yáng)極催化劑，增強(qiáng)質(zhì)子交換膜的化學(xué)、機(jī)械和熱性能，優(yōu)化膜電極的制備工藝，調(diào)整氣體擴(kuò)散層的孔結(jié)構(gòu)和尺寸，改進(jìn)雙極板的涂層制備工藝以及流場(chǎng)設(shè)計(jì)等。
圖3 PEM電解槽關(guān)鍵材料的未來(lái)研究方向。
相關(guān)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