天津大学凌涛教授团队，第二篇Nature Energy：构建酸性反应微环境，助力质子交换膜电解槽非纯水高效制氢

1.PEM制氢规模扩张伴随水资源挑战： PEM电解技术可利用波动性电力高效制氢，当前全球装机容量约200 MW，预计2030年将增至30 GW。该技术需使用18 MΩ·cm超纯水，其预处理流程复杂且消耗显著水量，未来在缺水地区部署将面临资源约束压力。

2.运行杂质累积及其成本影响： 即便初始使用超纯水，运行过程中阳离子杂质仍会持续累积，因此需要配套持续的去离子处理系统，增加了系统维护需求和能耗成本。水处理系统的性能下降或故障，可导致电解槽性能衰减，严重时需更换堆栈组件。

3.杂质诱导损伤机制限制耐受性提升： 低纯度水中的杂质离子（如Ca²⁺、Mg²⁺）会占据质子交换膜中的H⁺传导通道，抑制阴极析氢反应动力学，并在催化层沉淀导致催化剂失活。此外，Fe离子可诱发Fenton反应，产生活性氧，加速聚合物电解质膜降解，对系统长期稳定性构成显著威胁。

近日，来自天津大学的凌涛教授，在国际知名期刊Nature Energy上发表题为“Cathode catalyst layers modified with Brønsted acid oxides to improve proton exchange membrane electrolysers for impure water splitting”的研究文章。该文章将Brønsted酸氧化物（MoO3−x）引入PEM电解槽阴极催化剂层，构建了强酸性反应微环境，显著提升了电解槽在非纯水（如自来水）中的稳定性和性能。该设计使电解槽在1.0 A cm⁻²电流密度下稳定运行超过3,000小时，性能媲美传统纯水电解系统。

作者通过将pH超微电极与高空间分辨率扫描电化学显微镜联用，首次实现了对含金属阳离子杂质供给水中阴极Pt/C催化层局部pH值的定量监测（图1）。研究揭示了阳离子杂质的跨膜输运机制及其对阴极的影响：阳离子杂质会迁移至阴极，导致Pt/C催化层局部pH值升高至10.4，从而严重抑制析氢反应动力学。

作者通过红外光谱和固体核磁共振证实MoO3−x具有强Brønsted酸性，其表面Mo-O-H基团在阴极电位下持续释放H+。原位拉曼光谱进一步揭示了电压驱动的水解离机制，阴极电位驱动MoO3−x表面水解离生成H+；旋转环盘电极测试证实MoO3−x表面局部pH可降至2（图2）。

基于以上实验结果，作者在Pt/C催化剂的碳载体上引入MoO3-x（MoO3-x@Pt/C），组装了MoO3-x@Pt/C||IrO2电解槽。实验结果表明，该电解槽的阴极局部pH值稳定维持在2.5-3.5范围内（图3）。得益于这一特性，MoO3-x@Pt/C||IrO2 PEM电解槽在含金属阳离子的水质条件下，不仅保持了与纯水体系相近的性能表现，还展现出优异的长期稳定性。

进一步地，MoO₃₋ₓ@Pt/C||IrO₂ 电解槽在自来水条件下测试，性能接近传统 PEM 电解槽在纯水中的水平（图 4）。在 1.0 A cm⁻² 工业电流密度下，可稳定运行 >3000 小时。研制的 250 cm² 活性面积电解堆（10×25 cm² 单电池串联），制氢能耗为 4.13 kWh Nm⁻³ H₂，与高纯水环境下的 PEM 电解槽（4.1 kWh Nm⁻³ H₂）相当。经济性分析表明，该微环境 pH 调节型 PEM 电解系统在不同工况下可将氢气平准化成本（LCOH）降低 0.3%-8%，展现出经济可行性与降本潜力。

同时，凌涛教授团队与天津城建大学赵巍教授、山西煤化所尹熙教授合作研发海水/非纯水电解制氢测试设备（图5），能够实现天然海水/非纯水千瓦级堆栈制氢。

https://www.bilibili.com/video/BV1dzM8z2ENp/?spm_id_from=333.1365.list.card_archive.click&vd_source=561395ac214c199278c69714a64dbc39

凌涛教授简介：天津大学教授，2017年获国家自然科学基优秀青年科学基金，2019年获天津市自然科学基杰出青年科学基金。开发气相金属离子交换新方法，构建多种催化材料体系“宏观-微观-原子”跨尺度多级结构；调控电解水制氢材料活性晶面、晶格应力、缺陷和掺杂等表界面原子结构，揭示材料表界面原子/电子结构和催化性能之间关联，突破催化材料活性和稳定性限制；创造催化材料和电解液界面分子尺度的反应微环境，实现高效稳定的天然海水电解制氢。以第一/通讯作者在Nature Energy（2篇）、Nature Communications (3篇)、Science Advances、Advanced Materials (7篇)、Angewandte Chemie (4篇)、Nano Letters、Advanced Functional Materials、Nano Energy等期刊发表论文50余篇，11篇入选ESI高被引论文，被Science、Nature Energy选为研究亮点。

王如广，天津大学材料科学与工程学院博士研究生。从事燃料电池与电解水制氢研究。以第一作者在Nature Energy、Advanced Science、Journal of Energy Chemistry等期刊发表SCI学术论文3篇；参与发表SCI论文10余篇。