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Chem：乔世璋/郑尧团队从实验室研究到工业应用，论PEMWEs阳极设计的三大挑战

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2024-10-18 20:03

正文

▲第一作者：徐俊

共同通讯作者：乔世璋院士/郑尧教授

通讯单位：阿德莱德大学

论文DOI：10.1016/j.chempr.2024.09.004 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

质子交换膜水电解（PEMWEs）生产绿氢已成为当今能源领域研究的热点之一。然而，其阳极设计在实现从实验室基础研究过渡到工业化应用过程中仍面临着多重瓶颈。2024年10月10日，阿德莱德大学乔世璋院士/郑尧教授团队在Chem 期刊上发表了一篇题为“Bridging gaps between lab- and fab-oriented anode design for proton exchange membrane water electrolyzers” 的perspective 文章，围绕如何缩小实验室OER催化剂研究与实际工业应用需求之间的差距进行了详细探讨，并就耐久性、活性及成本优化等三方面做出了展望。

质子交换膜水电解（PEMWEs）因其高能效、快速响应以及对可再生能源的良好适应性，已成为绿氢生产中的重要角色。目前，PEMWEs 已达到了技术就绪水平（TRL9），但要实现大规模商业化，设计成本低、性能优越且长期稳定的阳极材料，并减少铱（Ir）的使用，最终实现生产1千克绿氢成本不超过1美元，是当前亟待解决的问题。

现阶段，实验室中开发的酸性析氧反应（OER）催化剂与PEMWEs 阳极实际需求仍存在显著差距。在该论文中，作者总结了这些差异来源，并提出了缩小差距的潜在解决方案。

图1：PEMWEs和AMSs系统阳极结构比较及PEMWEs组成相关变量分析

首先是耐久性差异，PEMWEs工业生产目标是4万小时的使用寿命，平均性能衰减率目标为4.8 mV kh⁻¹。目前多数研究仍局限于实验室水溶液模型系统（AMSs）的评估，通常通过三电极测量来确定催化剂的性能。AMSs测试无法完全模拟电解槽的实际操作条件，特别是无法再现MEA中的催化剂负载、局部环境和传质影响。因此，AMSs测试可能低估了电解槽的降解机制，难以全面验证PEMWEs的耐久性。基于此，作者在论文中系统分析了催化层的可能失活机理，探讨了稳定性评估方法，并提出了相应的稳定性提升策略。

图2：AMSs和PEMWEs阳极活性衰减机理分析

图3：稳定性评估及其提升策略

其次，关于PEMWEs的性能，目前系统旨在1.9 V的槽压下实现2 A cm⁻²的电流密度，能效目标为55 kWh kg⁻¹ H₂（相当于低热值的61%）。实验室通常以较低电流密度下（@10 mA cm⁻²）的过电位来评估催化剂的活性，但在实际PEMWEs中，大电流密度下的传质阻力显著影响电解槽性能。因此，实验室数据与实际电解槽的性能结果往往存在明显偏差。此外，不同文献中催化剂负载量和表面积的差异，以及不同设备设计和操作条件的使用，进一步增加了性能结果的可比性问题。基于此，作者总结了性能评估中存在的问题，并分别强调了AMSs和PEMWEs中的性能基准测试方法。

图4：AMSs性能评估方法

图5：PEMWEs性能评估方法

最后，在成本控制方面，由于全球Ir供应非常有限，大规模应用需要将Ir负载量降低（0.4 mg_Ir cm⁻²@2026年）。在前期的实验室研究中，很少关注如此低Ir负载下的催化剂性能表现，而大规模生产时催化剂的经济可行性也常常被忽视。某些在实验室表现良好的材料，可能在大规模生产时无法保持稳定和高效的产出，这也使得催化剂的可扩展性成为商业化中的一大难题。基于此，作者详细讨论了催化剂Ir载量、使用寿命、性能等对制氢成本的影响，并强调了增强催化剂性能与可再生电力系统（风能、太阳能发电等）耦合的可行性。

图6：成本分析

总的来说，要实现PEMWEs的全面推广，亟需在阳极催化剂的耐久性、性能和成本三大方面突破实验室研究与工厂实际应用之间的壁垒，确保催化剂在实际电解条件下的稳定性和经济可行性。论文从耐久性、性能基准测试和成本三个方面详细分析了实验室OER电催化剂与PEMWEs实际阳极需求之间的种种差距，并提出了一系列可能的解决方案，以加速实验室成果向工业应用的转化，助力PEMWEs技术在绿色氢能生产中的广泛应用。

作者介绍：

乔世璋院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis，CMEC）及澳大利亚研究理事会电池回收培训中心（ARC Training Centre for Battery Recycling）主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、光催化、电池等。作为通讯作者，在国际期刊发表学术论文550余篇，引用次数超过13.5万次，h指数为188。乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究理事会工业桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow），2021年南澳大利亚州年度科学家，2019年首届阿德莱德大学校长研究卓越奖、2017年澳大利亚研究理事会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年澳大利亚研究理事会杰出研究者奖（DORA）等。乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家。

郑尧教授，2014年博士毕业于昆士兰大学，目前为阿德莱德大学化工学院教授。主要研究方向为电化学能源转化，包括电炼化（electrocatalytic refinery），水裂解，二氧化碳还原等。目前作为第一作者和通讯作者已在Nature Energy, Nature Communication, Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials等国际顶级期刊上发表论文170余篇，引用次数超过47,000次，h指数为89。获得澳大利亚研究理事会（ARC）包括Future Fellowship，Discovery Project，DECRA项目共计270余万澳元的资助。他也是科睿唯安（Clarivate Analytics）化学领域的高被引科学家。