2022年9月8日，清华大学主理的高起点能源期刊Nano Research Energy (https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)青年编委、吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室邹晓新教授课题组揭晓题为“Status and perspectives of key materials for PEM electrolyzer”的最新综述，该综述周全先容了质子交流膜（PEM）电解槽一系列要害质料（包括质子交流膜、催化剂、膜电极、气体扩散层和双极板等）的最新研究希望、保存问题和未来研究偏向。
实现“碳达峰、碳中和”已上升为我国国家战略，成为以后较长时期内能源绿色低碳转型的总抓手�？稍偕茉捶⒌缦低绸詈螾EM电解水手艺的蹊径（“绿电”+“绿氢”）被普遍以为是实现“碳中和”的有力武器之一。PEM电解槽接纳质子交流膜传导质子，阻遏析氢和析氧电极，具有靠近零间距结构，体积紧凑（图1），使其具有电流密度高（> 1 A/cm2）、氢气品质好（99.99%）、能量转换效率高、能耗低、运行可靠等诸多优点，尤其是所具有的高度无邪性及优异的功率调理功效，很是契合风、光、水等可再生能源波动性。面临大规模消耗可再生能源与绿色制氢的重大需求，国际上已形成PEM电解水手艺竞争的热门，国际能源机构与大型公司正以亘古未有的热情普遍结构PEM电解水手艺和应用。
图1 四种电解槽结构示意图。(a) 碱性电解槽；(b) 质子交流膜电解槽；(c) 固体氧化物电解池；(d) 阴离子交流膜电解槽。
现在PEM电解槽的普遍应用受到要害质料的限制。PEM电解槽的焦点部件包括双极板、气体扩散层、质子交流膜以及阴极、阳极电催化剂（图2）。由于PEM电解槽氧化性和侵蚀性的事情情形，只有少数贵金属基电催化剂（通常为Pt和IrO2作为阴极和阳极催化剂）才华在这样的工况情形下，体现出合理的催化活性和稳固性。其次，双极板和气体扩散层通常以钛基质料为主，还需要铂、金等贵金属�；ば酝坎�。别的，作为固体电解质的PEM通常使用腾贵的Nafion型膜。这些高本钱的要害质料使得PEM电解槽制氢本钱很高，迫切需要刷新电解槽要害质料，提高电解水的效率，降低制氢本钱。
图2 PEM电解槽的堆芯结构以及要害质料。
该文章首先先容了PEM电解槽中的热力学和动力学基本看法，并形貌了相关的能量损失（包括热力学过电势，活化、欧姆以及质量输运等动力学过电势）；然后综述了PEM电解槽中的质子交流膜、电催化剂、膜电极、气体扩散层和双极板等一系列要害部件的研究希望及其失活/稳固机制；最后提出了PEM电解槽中各部件的未来研究偏向（图3），包括开发低铂的阴极催化剂和低铱的阳极催化剂，增强质子交流膜的化学、机械和热性能，优化膜电极的制备工艺，调解气体扩散层的孔结构和尺寸，刷新双极板的涂层制备工艺以及流场设计等。
图3 PEM电解槽要害质料的未来研究偏向。
相关论文信息：
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