赵慎龙教授/杜磊副教授/叶思宇院士Chem Catal：氢从水中来，材料是关键

近日，细胞出版社Cell Press旗下Chem Catalysis 期刊“Activity articles”针对质子交换膜电解水面临的机会和挑战，以及如何最大程度发挥质子交换膜电解槽的性能等影响质子交换膜电解水产业化应用的关键问题进行深入探讨。邀请的三位专家分别是国家纳米中心教授赵慎龙，广州大学教授、鸿基创能科技有限公司副董事长兼首席技术官、加拿大国家工程院院士叶思宇以及广州大学副教授杜磊。

首先，赵慎龙教授等以题为“Proton-exchange membrane water electrolysis: from fundamental study to industrial application”的文章发表了自己的观点。他表示，质子交换膜电解槽的核心部件膜电极通常包含阳极催化层、阴极催化剂以及位于中间的质子交换膜，成本非常高。因此，要实现质子交换膜电解水的产业化应用，设计与开发高效低成本的膜电极尤为关键。由于阳极的析氧反应涉及四电子转移过程，并且处于高电压强酸性的苛刻环境，开发高效阳极催化剂面临着更大的挑战。过去几十年间，阳极催化剂的设计与开发已经取得了重大突破，如非贵金属基合金、无金属碳基材料及共价/金属有机框架催化剂等。尽管这些催化剂在实验室的测试条件下显示出相对优异的性能，但在规模化器件上性能却相差甚远，难以预测，所以需要进一步发展具有高分辨率的先进原位表征手段，深入挖掘阳极催化剂构效关系及反应机制。除此以外，赵慎龙教授表示质子交换膜在产业化应用过程中也至关重要，需要具备抗腐蚀性、耐湿性以及耐化学反应，能够承受一定的机械压力，仍需通过控制其化学结构、孔设计、表面改性等方法进一步完善质子交换膜的性能。

Figure 1. The schematic illustration and research directions of PEM electrolyzer. (A) The schematic of PEMWE cell configuration. (B-E) The future research directions of PEMWE: (B) HER and OER electrocatalysts design and synthesis, (C) in-situ/operando characterization, (D) the structure-activity-stability relationship, and (E) The reaction mechanism study.

针对赵慎龙教授等人的观点，叶思宇院士和杜磊副教授等认为选择合适的电解槽器件制备工艺可以充分发挥上述关键材料的作用，以实现最优的质子交换膜电解水器件性能。目前，常用膜电极的制造方法包括CCM法（catalyst-coating membrane）和 CCS法 （catalyst-coating substrate）。CCM法可以实现膜和催化剂的良好接触，电阻小且质子传导率高，但溶剂容易造成膜的溶胀，并且溶剂蒸发会导致催化剂层形成裂痕，可以通过优化浆料配方、采用卷对卷涂布技术去避免溶胀的问题。CCS法可以有效避免膜的溶胀，但是催化层与膜的不充分接触会导致接触电阻上升和质子传输速率下降，可以通过优化膜与催化剂的界面、调整膜与催化剂层的厚度提升膜电极的性能。当前，这些关键材料在膜电极中的性能仍需进一步提升，学术界和工业界需要携手努力，增强沟通，从而实现氢能社会的早日到来。

在另一篇“Activity article”中，叶思宇院士和杜磊副教授等以“Challenges and Opportunities for Industrial Proton-Exchange Membrane Water Splitting”为题，深入阐述了质子交换膜电解水制取高纯“绿氢”这一方法的优势。质子交换膜电解水不仅能够在高电流密度条件下运行，并且装置结构紧凑、响应速度快，能够很好地适应风能和太阳能等间歇性可再生能源。然而，目前常采用的贵金属基催化剂（尤其是阳极铱）等关键材料成本高昂，严重阻碍了商业化发展；另一方面，即使采用高载量贵金属，质子交换膜电解槽的寿命仍然十分有限。因此，未来需要学术界、工业界、市场、政府的多方合作，共同构建一个开发新材料的共享和及时反馈机制，携手努力去降低贵金属的载量，同时提升电解槽的性能和寿命。

Figure 2. Capital cost breakdown of (a) PEM electrolyzer stack and (b) CCM for water splitting. (c) PEM electrolyzer performance curve measured for an MEA with Ir loading of ≈ 2 mg_Ir cm^–2 (solid orange line). The dashed orange line gives the projected performance curve for an MEA with Ir loading of 0.05 mg_Ir cm^–2. The blue lines represent the Ir-specific power density as a function of current density for Ir loadings of 2 mg_Ir cm^–2 (solid line) and 0.05 mg_Ir cm^–2 (dashed line). (d) PEM electrolyzer durability of an MEA with IrO_x anode at elevated temperature and current density. Figures were redrawn based on the data in the literature.

针对叶思宇院士和杜磊副教授等人的叙述，赵慎龙教授等发表了对目前酸性阳极析氧反应催化剂的看法，从反应机制、催化剂成本和寿命等方面阐述了如何构建低成本、高活性和稳定性良好的阳极催化剂。从短期来看，需要在降低贵金属用量的同时提高催化剂的活性和稳定性，最大化利用催化剂的活性位点及稳定性。从长期来看，需要寻求低成本、储量丰富的过渡金属作为贵金属催化剂的替代品，如过渡金属氧化物、高熵合金、金属有机框架材料及分子催化剂等，通过掺杂其它金属或杂原子，调控其电子及几何结构，进而提高酸性条件下的析氧反应活性及稳定性。同时，赵慎龙教授也表明通过及时更换电极和提升催化剂载量也是延长质子交换膜电解槽寿命的方法，并且除了材料自身的稳定性以外，析氧反应过程中存在机械剥落的问题，还需要完善电极的生产技术。

通过以上两篇“互动式论文”，我们知道膜电极的成本和寿命问题是影响质子交换膜电解水大规模应用的关键。针对膜电极对关键材料的需求，有针对性地去设计低成本、高效的催化剂等关键材料，是未来的主要方向。另一方面，为充分发挥关键材料在膜电极中的利用效率、提升效果，还需要进一步完善和发展膜电极的制造工艺。以上都需要科研院所、企业、市场等多方通力合作。

1. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Proton-exchange membrane water electrolysis: from fundamental study to industrial application

Lei Shi, Junda Chen, Shenlong Zhao, Lei Du, Siyu Ye

Chem Catal., 2023, DOI: 10.1016/j.checat.2023.100734

2. 原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Challenges and Opportunities for Industrial Proton Exchange Membrane Water Splitting

Junda Chen, Lei Shi, Lei Du, Siyu Ye, Shenlong Zhao

Chem Catal., 2023, DOI: 10.1016/j.checat.2023.100733

3、薪酬待遇：年薪应发36万元，其中A类业绩优秀的44万元起，详见
http://www.gzhu.edu.cn/info/1205/9685.htm  ；