氢能催化剂是国家氢能战略新兴产业的关键电催化材料，同时还被广泛应用于医药、精细化工、环保等领域。以下内容节选自国泰君安证券研究所，产业研究中心发布的氢催化剂专题研究报告，助您了解氢催化剂相关技术及市场情况。
1.催化剂应用于质子交换膜燃料电池/电解槽
质子交换膜燃料电池与质子交换膜电解槽中发生的反应为互逆反应，两者结构相似，均由膜电极（质子交换膜、催化剂、气体扩散层）和双极板构成。电化学反应发生在离聚物、扩散层和催化剂组成的三相交界处，该反应可看作气体吸附或解离的过程，催化材料吸附自由能不应过大（或过小），否则会导致氢气和氧气解离困难（或吸附困难），理想的催化材料位于“火山曲线”最大值附近。
质子交换膜燃料电池中，负极发生HOR反应H2→2e-+2H+（两电子转移，快速动力学过程），正极发生ORR反应O2+4e-+4H+→2H2O（四电子转移，缓慢动力学过程）。根据“火山曲线”图，Pt催化剂具有最适宜的吸附自由能，此时化学反应速率最大；由于正极ORR反应速率比负极HOR反应低6个数量级，因此总反应的反应速率取决于正极，正极催化剂用量约是负极的8倍。
质子交换膜电解槽中，阴极发生HER反应2H++2e-→H2（两电子转移，快速动力学过程），阳极发生OER反应2H2O→4H++O2+4e-（四电子转移，缓慢动力学过程）。与燃料电池催化剂类似，“火山曲线”峰值附近的材料具有最佳催化活性。对于阴极HER反应，选用Pt作为催化剂；对于阳极OER反应，IrO2和RuO2都具有优异催化活性，但RuO2在酸性环境中容易被氧化溶解失活，稳定性较差，故选取IrO2作为催化剂。
1.1. 燃料电池催化剂：浆料配比和提纯工艺决定催化剂性能
目前常用的燃料电池催化剂是Pt/C催化剂、铂合金催化剂。两种催化剂均采用贵金属铂作为基材，同时采用碳载体来提高贵金属的比表面积，提高反应活性。
Pt/C催化剂和铂合金催化剂的制备原理相似，其核心均在于前驱体溶液中浆料的配比、催化剂产品的洗涤干燥。前者是从Pt前驱体溶液与载体前驱体溶液出发，通过化学处理得到Pt/C催化剂；后者将含Pt前驱体溶液与金属M（外加的非Pt金属元素）前驱体溶液混合，通过还原、离心干燥等处理得到将金属M与Pt复合。
除Pt/C催化剂和铂合金催化剂外，非贵金属和非金属催化剂是未来重要发展方向。非贵金属催化剂中，M-N-C化合物具有可观的催化活性、成本低、寿命长、抗甲醇且环保，被认为是最具潜力的催化剂之一；非金属催化剂指各种杂原子掺杂的纳米碳材料，包括硼掺杂、氮掺杂、磷掺杂等。由于催化活性和稳定性与Pt基催化剂仍存在较大差距，上述催化剂仍处于实验室阶段，尚未实现产业化。
1.2. 电解槽催化剂：阳极用Ir催化剂，阴极用Pt催化剂
电解槽阳极常用IrO2催化剂，阴极使用Pt基催化剂。对于IrO2催化剂，其制备工艺是将含Ir与聚合物的混合溶液均匀涂覆在导电基底上，通过煅烧、等离子处理氧化含铱混合物、除去聚合物，即可制得IrO2催化剂；Pt基催化剂的制备原理与燃料电池催化剂一致。
现有商业析氢催化剂Pt载量为0.4~0.6 mg/cm2，将Pt与过渡金属复合（如Pt/Pd、Pt/N等）可降低贵金属用量，并提高催化性能。析氧催化剂IrO2的贵金属载量约为1~2 mg/cm2，复合氧化物、合金类和载体支撑型催化剂，以及使用过渡金属氧化物作为载体（如TiO2、Ta2O5、Nb掺杂的TiO2、Sb掺杂的SnO2等）也成为析氧催化剂的研究重点。
到2030年，氢催化剂市场空间在保守/中性/乐观下分别为294亿元、438亿元、586亿元；对贵金属Pt的累计需求量为18吨/26吨/36吨（铂年产量180吨），对贵金属Ir的累计需求量为13吨/19吨/25吨（铱年产量7-8吨）。
2.1. 燃料电池催化剂：保守/中性/乐观预期下，市场空间分别为60亿元/84亿元/120亿元
到2030年，燃料电池催化剂市场空间在保守/中性/乐观下分别为60亿元、84亿元、120亿元。预计到2030年，燃料电池系统成本将降至700元/kw（100kw系统成本为7万元），与柴油机5万元（潍柴柴油机售价5.13万元）、动力电池7.8万元（宁德时代动力电池售价784元/kW）具备一定抗衡性。参考新能源汽车降本速度和渗透率，在保守/中性/乐观情形下，燃料电池汽车保有量将达到50万辆/70万辆/100万辆。
2.2. 电解槽催化剂：保守/中性/乐观预期下，市场空间分别为234亿元/354亿元/466亿元
到2030年，电解槽催化剂市场空间在保守/中性/乐观下分别为234亿元、354亿元、466亿元。考虑工业及燃料电池汽车用氢需求，到2030年下游用氢需求预计将达4790万吨，工业副产氢供氢984万吨，其余用氢由灰氢（煤制氢、天然气制氢）及电解水制氢提供；假设在保守/中性/乐观预期下，绿氢对灰氢（煤制氢、天然气制氢）的替代率分别达到10%/15%/20%，绿氢需求量的30%由PEM电解水制氢满足（PEM电解槽每年工作2500h），对应PEM电解槽出货量为35GW/52GW/70GW。在保守/中性/乐观情形下，PEM电解槽中的铂催化剂市场空间为13亿元/19亿元/25亿元，铱催化剂市场空间为221亿元/335亿元/441亿元。
来源：国泰君安证券研究所，产业研究中心
