上海交通大学章俊良/闫晓晖CRPS：高性能低成本质子交换膜电解水的膜电极研究进展 | Cell Press论文速递

物质科学

Physical science

质子交换膜电解水（Proton exchange membrane water electrolysis, PEMWE）是一项重要的清洁能源技术，将电能转化为氢气和氧气。由于具有高效、快速响应以及适用于小型化应用的特点，质子交换膜电解水在可再生能源集成、电力系统调节和绿色氢生产方面具有巨大潜力。该技术的商业应用主要受制于质子交换膜电解槽高昂的成本。近日，上海交通大学燃料电池研究所章俊良和闫晓晖课题组在Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上发表了题为“Rational electrode design for low-cost proton exchange membrane water electrolyzers”的观点（Perspective）论文，重点从降低电解水成本角度分析了电解槽核心零部件——膜电极的开发思路（图1），并归纳了高性能低成本质子交换膜电解水膜电极的最新进展，最后展望了该领域的挑战与发展机遇。

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要点1：开发高性能低成本膜电极的主要阻碍

论文首先概述了质子交换膜电解槽成本的现状和降低质子交换膜电解水成本对膜电极设计的需求，即低贵金属化和高操作电流密度化。随后作者分析了当前开发低贵金属载量和高操作电流密度膜电极的各项主要阻碍，包括低铱载量时的电子传输问题、低催化剂利用率问题以及气泡传输问题等。本文以此开始，介绍了质子交换膜电解水膜电极的设计需求及技术难点，从而引出下文低载量高电流密度膜电极的最新研究。

要点2：超低铱载量和高电流密度膜电极的开发策略和案例

从解决电子传输问题、低催化剂利用率以及气泡传输问题的角度出发，作者详细介绍了超低铱载量高操作电流密度膜电极的最新开发策略和案例，包括结合多表征技术的膜电极制备工艺优化、催化层电子传输路径优化、催化层-多孔扩散层界面结构优化、催化层气泡行为调控、有序化膜电极设计等。

要点3：未来低成本膜电极开发的展望

最后，作者提出了面向现阶段的质子交换膜电解水成本降低目标的膜电极开发思路，可概括为以下两个方面：（1）现阶段，发挥质子交换膜电解水技术优势，提高电解水操作电流密度带来的电解槽总成本降低收益高于极限降低膜电极铱载量带来的电解槽总成本降低收益；（2）结合当前研究对不同载量时膜电极性能变化机制的认知，在仍以无载体催化剂为主要阳极催化剂的情况下，在较低载量（0.1-0.5 mg_Ir cm⁻²）范围内提高操作电流密度可能是一个能够迅速降低电解槽成本的方案。

论文的第一作者是上海交通大学机械与动力学院博士生袁述。通讯作者为章俊良教授和闫晓晖副教授。该工作得到了国家自然科学基金的支持。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Rational electrode design for low-cost proton exchange membrane water electrolyzers

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(24)00116-4

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2024.101880

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