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他，新晉中科院院士，重磅Nature Nanotechnology！

成果簡介

驅動碳中和目標，質子交換膜水電解由于其將波動電力轉化為綠色氫氣的能力，正在成為一項熱門技術。不幸的是，盡管在基礎研究上投入了大量資源，只有少數研究成果成功轉化為工業規模的電解槽開發。近日，廈門大學鄭南峰院士和陶華冰團隊等人以“The gap between academic research on proton exchange membrane water electrolysers and industrial demands”為題將相關文章發表在Nature Nanotechnology上以描述這種學術與工業界的差距。

研究背景

圖1：PEM水電解器的組件及文獻分布。

水電解提供了一種將大規模可再生電力轉化為綠色氫氣的清潔解決方案。在各種水電解技術中，質子交換膜水電解（PEMWE）是唯一能夠直接與波動的可再生電力連接的商業化技術。盡管成本較低的堿性水電解器是一種較老的商業技術，但在動態操作下會面臨嚴重的安全問題。然而，目前PEMWE的成本太高（約為堿性電解器的3-5倍），無法被廣泛部署在工業中。一個重要但并非唯一的原因是依賴于貴金屬如銥和鉑。因此，學術界和工業界都投入了大量努力來降低PEMWE的成本。然而，學術界和工業界的技術重點存在顯著差異。圖1a概述了PEMWE的關鍵組件，這些組件是串聯連接的。這種物理結構意味著每個組件都需要優化以達到最低電阻，因為任何一個組件都可能成為效率的限制因素。

不幸的是，學術研究與工業需求之間存在相當大的差距。對來自Web of Science數據庫的近3000篇關于PEM電解的文獻進行粗略審查顯示，學術研究主要集中在減少貴金屬的使用或開發無貴金屬催化劑，而對電解器其余組件的關注較少，只占研究努力的不到四分之一（圖1b）。顯然，這種分布意味著一些重要的技術問題，如催化劑層，未得到充分關注。此外，學術界通常注重推技術活動的極限，而工業界必須在成本、穩定性和安全性等多個因素之間取得平衡。因此，許多學術界的研究成果仍停留在實驗室，而工業研究人員正在努力解決實際應用中遇到的技術問題。

圖文導讀

催化劑性能=電極性能？

學術界存在一種隱含的假設，即一個好的催化劑也會是一個好的電極，因此學術界主要通過開發低貴金屬催化劑或無貴金屬催化劑來降低成本。事實上，到目前為止，貴金屬僅占工業電解器總成本的約10%。減少貴金屬無疑是PEMWE發展的一個重要任務，但僅靠催化劑研究很難完成這項任務。一個重要的原因是電極中催化劑的利用率低。比如，在高電流密度4 A cm^–2下，3M公司的納米結構薄膜（NSTF）電極的陽極催化劑層（ACL）中的催化劑利用率僅為2.4%，而FuGeMEA的利用率為30%。催化劑利用率低是陽極催化劑層（ACL）中質子/電子和水/氣體傳輸之間復雜平衡的結果。因此，有必要加強在ACL的研究投資以提高催化劑的利用率，這不僅可以減少貴金屬的使用，還可以更有效地提高性能。

穩定還是不穩定？走向統一的評估標準

可能，學術界與工業界達成一致的一個非常重要的起點是電解器的真正穩定性。工業反饋顯示，到目前為止，ACL是PEMWE的限制性組件。由于電解器需要在波動的操作條件下可靠工作十年，工業界非常重視穩定性。然而，到目前為止，很少有電解器能夠在如此長的服務時間內運行，并且新技術頻繁出現。對于學術界來說，評估真實壽命長達如此時間尺度幾乎是不可能的，通常只能支持數百到數千小時的穩定性測試。與大多數文獻簡單展示老化曲線聲稱良好穩定性不同，工業界希望了解更多細節，如材料在電解器中如何和為什么降解。

化學還是物理？

總的來說，學術界增強性能的研究重點主要在化學方法上，如設計新穎更活躍的催化劑。然而，從工業界的經驗來看，許多性能和壽命的限制源于物理因素，如CCM上的應力分布。最近的研究表明，通過優化應力分布顯著提高了電解器的性能和穩定性。另一個例子是陽極催化劑層的降解。實際上，由于聚合物離聚物粘合劑的膨脹、蠕變和遷移特性，ACL的微觀結構不斷受到熱和水的影響。盡管大多數文獻討論化學降解過程，但工業界發現，到目前為止，陽極催化劑層的物理結構崩塌是主要的降解機制。不幸的是，物理過程在學術界受到的關注要少得多。

規模放大還是縮小？

從學術界的角度來看，商業化過程幾乎意味著材料或技術的單向放大。然而，單向放大可能會失去一些重要的成本或性能優勢。例如，通過單向放大策略，在較大的電解器中經常會遇到顯著的性能損失。這是因為在較大的電解器中，熱、質量、電子和質子傳輸變得非常不同，而它們在實驗室規模的電池中影響不大。除了學術界通過開發新材料或方法來提高性能的推動外，更實際的方法是識別基本的結構-功能關系，以指導商業電解器的開發。除了單向放大，縮小可能是加速新技術在工業中部署的重要補充。

圖2 電解器的放大沒有顯著的性能損失。

一個有趣的采用縮小策略的案例是識別優化的流場結構（圖2）。根據燃料電池的豐富經驗，人們自然會選擇蛇形流場用于PEMWE，特別是在實驗室測試電解器中。然而，由于蛇形流場的高制造成本，我們的大規模電解器采用了梯度網格作為流場。令人驚訝的是，大規模電解器堆比實驗室電解器單元顯示出更高的電流密度和穩定性。詳細研究表明，這一差異源于CCM上的應力分布：蛇形流場導致CCM上的應力分布高度不均勻，從而導致催化劑的低利用率，而梯度網格結構則產生相對均勻的應力分布和更高的催化劑利用率。通過縮小方法識別的這一關鍵因素，實驗室規模的電解器根據大規模電解器的結構進行了改造。結果表明，通過這種方法，電解器可以放大三個數量級而電池電壓僅增加不到2%。從這個例子可以看出，縮小是一種強有力的故障排除方法。

在波動電力下運行

PEMWE的需求正在被越來越多采用的可再生能源供電的綠色氫氣生產所推動。然而，可再生能源的波動性給堿性水電解器等其他技術帶來了巨大挑戰。為了解決這個問題，工業界迫切需要擴大PEMWE的動態操作窗口，以降低氫氣的平準化成本。理想的電解器應能夠在部分負載和過載下高效運行，這對于PEMWE利用廉價的波動電力至關重要。由于可再生能源通常在短時間內（不到其服務壽命的10%）產生高峰電力，因此不必讓電解器的容量與可再生電力的峰值功率相匹配。相反，一種經濟的方法是通過提高PEMWE的過載上限（目前約為120%）來減少電解器容量。除了降低材料成本，增加電流密度是另一種有效的節約成本的措施，用于降低與PEMWE相關的總費用。盡管全球安裝了數百兆瓦的PEMWE，但在實際波動電力條件下運行的工業PEMWE的數據仍然不足。因此，學術研究需要更多詳細的行業數據反饋，以有效解決現實研究問題。

另一個關鍵問題是波動電力輸入對材料和整個電解器壽命的影響。在動態操作下，液體電解質測試中觀察到催化劑的加速溶解，而在PEMWE設備中觀察到耐久性提高。因此，關于動態操作對PEMWE壽命的影響，目前尚未得出確定結論。溶解率增加的主要原因是催化劑表面重構，可以通過控制操作期間的最低電位來減輕。此外，值得注意的是，直接將液體電解質測試中獲得的溶解率推導到設備條件可能導致催化劑降解的過高估計，因為酸性環境在兩個系統之間有顯著差異。總體而言，目前的數據不足以得出關于動態操作對穩定性影響的結論。迫切需要開發一種務實的測試方法，以使基礎研究與行業需求保持一致。

總結展望

彌合學術研究與工業之間的差距對于推進有前景的PEMWE技術至關重要。學術研究應擴大其關注范圍，包括更多的因素。工業電解器中老化材料的事后表征顯著缺乏，這是需要學術界關注和支持的差距。此外，工業界需要在技術專長和工業資源方面提供全面支持，以促進學術研究中新材料和技術的發展。學術界和工業界的合作對于推動進步和確保創新解決方案在該領域的成功實施至關重要。

文獻信息

Tao, H. B., Liu, H., Lao, K., Pan, Y., Tao, Y., Wen, L., & Zheng, N. (2024). The gap between academic research on proton exchange membrane water electrolysers and industrial demands. Nature Nanotechnology. https://doi.org/10.1038/s41565-024-01699-x

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