铱基催化剂突破：林伟&杨雪解码质子交换膜电解槽高电流密度应用 | EES重磅综述

第一作者：宋洋，陈泓武

通讯作者：林伟*，杨雪*

单位：中石化石油化工科学研究院有限公司

质子交换膜水电解槽（PEMWE）是一种具有潜力的可再生能源转化与储存技术。深入了解PEMWE的性能与耐久性，对推动该技术的市场应用至关重要。然而，由于高成本及在酸性环境中耐久性不足，PEMWE在大规模和长期应用中面临挑战。本综述聚焦于氧析出反应（OER）过程中PEMWE各组件的活化与失效机制，强调开发高效PEMWE系统以实现工业化制氢的重要性。

基于此，来自中石化石油化工科学研究院有限公司的林伟研究员和杨雪研究员，在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“Engineering Ir-based Catalysts for High Current Density Applications in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers”的综述文章。文章探讨了酸性OER中铱基催化剂的工程改进最新进展，并识别其在实际应用中的不足，详细介绍了电子结构调控、形貌设计和载体优化等铱基催化剂的多种改性方法。此外，还分析了催化剂涂覆方法对膜电极组件性能的关键影响。关于PEMWE的性能衰退，本文系统阐述了阳极催化剂、膜及双极板的劣化来源及机制，并提出延长组件寿命的有效策略。文章进一步拓展至高电流密度条件下PEMWE工业化应用的探索，并总结了未解决的技术难题。通过展望未来研究方向，本综述为实现实用化PEMWE系统提供了有益启示。

图1. 推进PEMWE技术的未来方向与创新解决方案。

文章首先探讨了铱基氧析出反应（OER）催化剂工程策略的发展，这些策略主要集中在三个核心方向：调控催化剂电子结构、创新催化剂形貌以及优化催化剂与载体的相互作用（如图2b所示）。通过调控电子结构，可以优化催化剂的活性位点分布，增强催化剂对关键反应中间体的吸附与解吸行为，从而显著提高反应效率；形貌创新则注重设计纳米级的催化剂结构，例如中空结构、层状结构或多孔形貌，以增加比表面积、促进反应物扩散并提升催化性能；而催化剂-载体相互作用的优化则通过增强催化剂与载体之间的结合强度与电子耦合效应，进一步提升催化剂的稳定性和活性。这些策略的目标在于实现铱用量的显著降低，以应对稀贵金属资源的成本和供应限制，同时通过提升催化剂的质量活性来优化单位催化剂的性能表现。此外，改进电化学稳定性能够有效延长催化剂的使用寿命，在长期运行及高电流密度条件下依然保持可靠的性能。这些进展不仅为开发高效、低成本的铱基催化剂提供了新的设计思路，也为推动PEMWE技术的规模化应用奠定了坚实基础。

图2. (a) PEM电解槽的工作原理；(b) 铱基氧析出反应催化剂的主要调控策略。

要点二：PEM电解槽的关键组件及其劣化机制

接下来探讨了PEMWE技术的实际应用，着重分析膜电极组件（MEA）的制备方法及其在不同测试条件下的性能表现。同时，对PEMWE关键部件的失效机制进行了全面剖析，包括催化剂的溶解与失活、质子交换膜的化学降解与机械损伤、多孔传输层（PTL）的腐蚀与阻塞，以及双极板（BPP）的腐蚀与导电性能下降。这些部件的性能衰退直接影响PEMWE系统的整体效率和耐久性，成为制约其广泛应用的主要瓶颈。

针对这些挑战，作者提出了一系列缓解策略，例如，通过优化催化剂的稳定性和抗溶解性能以延长其使用寿命；开发更耐久的质子交换膜材料以减少化学降解；设计先进的多孔传输层结构以改善气体扩散和水管理；以及应用防腐涂层和新型材料来提升双极板的抗腐蚀能力和导电性能。此外，作者还强调了在不同工作条件下（如高电流密度、长期稳定运行）对MEA进行系统性测试的重要性。这不仅有助于揭示各部件在实际运行中的行为和相互作用，还能为优化整体系统设计提供指导。通过对关键部件失效机制的全面理解及其改进策略的持续探索，PEMWE技术在性能提升和寿命延长方面不断取得突破。这种系统性、综合性的研究，为PEMWE技术向大规模商业化迈进奠定了坚实的基础，进一步巩固了其在未来清洁能源体系中的核心地位，助力全球能源转型的实现。

图3. PEMWE电堆结构及关键材料的示意图。

要点三：PEMWE技术的成本降低与实际应用

作者进一步论述了降低PEMWE技术成本是实现其商业化应用的关键，主要通过减少资本支出（CapEx）和运营支出（OpEx）来实现。薄化质子交换膜（PEM）以降低欧姆阻力、开发低铱含量催化剂以减少贵金属依赖、优化催化层（CL）和多孔传输层（PTL）以改善传质性能，以及改进双极板流场设计以提升热管理效率，是几项核心策略。商业化膜技术（如嵌入ePTFE或PEEK材料）已显著增强机械强度，同时掺铂催化降低了氢渗透风险。这些优化措施能够在高电流密度下实现优异性能和长期稳定性，推动PEMWE技术在大规模绿色制氢领域的经济可行性。

图4. 优化PEM厚度和传质过程以提升性能并降低成本。(a) 不同输入功率下计算得到的PEMWE最佳膜厚度；(b) PEMWE单元结构及紫色箭头所指示的传质路径，突出流道和多孔传输层（PTL）的影响。

要点四：总结与展望

随着氢气作为清洁可再生燃料和化工原料的重要性日益提升，实现其可持续生产已成为关键研究方向。在众多水电解技术中，PEMWE因其独特优势而备受关注。本综述总结了PEMWE关键组件（如阳极催化剂、质子交换膜和双极板）的最新研究进展，特别是阳极催化剂开发和催化剂涂覆技术的重要性。同时，也深入分析了组件劣化问题，如催化剂失效、膜降解及双极板和多孔传输层的腐蚀，并提出解决策略以降低成本和提高系统耐久性。在降低资本支出（CapEx）方面，减少催化剂铱用量是核心策略，包括开发低铱含量催化剂、纳米结构设计以及利用一维和二维纳米材料来增强活性和稳定性。此外，还探索了铱替代催化剂（如钌基或无贵金属催化剂），尽管这些替代材料的研究尚处于初期，但为降低成本提供了潜在路径。

另一方面，延长PEMWE组件寿命（如通过设计抗氧化催化剂、改进膜结构及开发耐腐蚀涂层）对于提升经济性同样至关重要。未来研究需要平衡催化剂活性和稳定性之间的关系，例如通过合金化、纳米结构化和氧化层引入等方法增强催化剂性能，并进一步优化催化剂与反应中间体的相互作用。此外，学术研究与工业需求之间的差距亟待弥合，需加强对电解槽在复杂波动条件下长期稳定性的研究，并构建小规模电解槽测试系统以模拟实际工况，为技术放大提供支持。展望未来，PEMWE市场预计将在2030年增长至约40 GW/年，2050年达到约2200 GW的总装机容量。研究重点应集中于降低催化剂负载、提高操作电流密度和温度、以及采用更具成本效益的材料（如涂覆不锈钢代替钛）。通过实验与计算研究的结合，将为开发高效、经济且耐久的PEMWE系统奠定基础，推动氢气大规模商业化生产。

Engineering Ir-based Catalysts for High Current Density Applications in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers

林伟研究员简介：博士，教授级高级工程师，石油化工科学研究院副院长，中国青年科技奖获得者。主要从事绿氢炼化及绿色碳科学研究，包括氢能制-储-用全流程技术。主持开发了单堆兆瓦级质子交换膜电解水制氢成套技术、绿氢耦合二氧化碳高效转化利用技术和燃料电池一体化发电系统等。先后获得省部级科技进步一等奖8项，中国专利优秀奖1项，发表高水平研究论文近50篇，授权国内外发明专利200余件。

杨雪研究员简介：博士，中国石化新能源研究所副所长（主持工作），研究员。主要从事催化新材料和制氢-储氢-燃料电池关键技术开发。开发了单堆兆瓦级质子交换膜电解水制氢系统、有机液态氢载体耦合固态储氢技术和百千瓦级燃料电池电堆。获第三届中央企业熠星创新创意大赛一等奖、中国石化突出贡献专家奖、中国石化科技进步一等奖等省部级奖励5次，授权发明专利76件，发表科技论文20余篇。