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香港理工徐正龙/华中科技夏宝玉等Chem. Soc. Rev.综述：质子交换膜水解技术的研究进展

时间：2023-08-07 来源：浏览：

香港理工徐正龙/华中科技夏宝玉等Chem. Soc. Rev.综述：质子交换膜水解技术的研究进展

能源学人

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以下文章来源于科学材料站，作者刘瑞婷等

科学材料站 .

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【研究背景】

质子交换膜水电解(PEMWE) 是一项很有前景的产氢技术。PEMWE 系统可以耦合风能或太阳能等可再生能源，生产出高纯度的氢气，提供给燃料电池和其他工业部门。目前，堆栈组件的设计和发展能够大幅度提高 PEMWE 的产氢效率；然而由于高成本和酸性操作条件下系统的稳定性要求，PEMWE在工业规模中的长期运行仍面临着巨大挑战。文章分析了PEMWE 系统设计的研究进展，总结了包括反应机理、材料结构-组分-性能相关性、制造方法、系统设计、和操作参数在内的研究成果，对实现大规模商业应用需要克服的问题进行了评估，并且提出了潜在解决方案。本文为未来研究提供了方向，有助于促进开发高成本效益和稳定的 PEMWE 体系。

【内容简介】

近日，来自香港理工大学的徐正龙教授，华中科技大学夏宝玉教授，中科院严雅副研究员，和陕西师范大学陈煜教授，合作在国际知名期刊Chemical Society Reviews上发表题为“Recent advances in proton exchange membrane water electrolysis”的综述文章。刘瑞婷博士是该工作的第一作者。该文章分析了质子交换膜水解技术近期的研究进展，同时讨论了目前改技术存在的挑战和解决方案。

【主要内容】

要点一：PEMWE 基础

在PEMWE系统中，水电解过程包括产氢反应和产氧反应。由于产氧反应涉及到四电子转移，因此其动力学过程更为缓慢，机理也更复杂。水解反应的过程可通过密度泛函理论和Tafel斜率进行计算。引入模型可以分析关键变量对电解池性能的影响，从而实现对PEMWE 系统的深度理解和有效优化。当前常用的模型包括经验方程，半经验模型，分析模型，机理模型等。为了评价PEMWE系统性能，除了极化曲线、电化学阻抗谱、和循环伏安法等电化学表征方法，原位表征技术可以帮助揭示活性位点的作用机理和转化规律。例如，X射线吸收光谱（XAS）对局部结构演变非常敏感，可用来研究电子转移和判断催化过程的活性位点。另外，原位可视化技术可通过中子成像、同步辐射拍照、和高速光学成像方法分析PEMWE系统中的微观动力学过程。

图1 PEMWE的基本原理和发展历程。

要点二：PEMWE 的关键部件

电催化剂是催化产氢的重要组份。为了平衡反应物吸附和产物在催化剂表面的释放，合金材料、晶格应变和表面/界面工程等方法已被广泛应用于催化剂性能的提升。高通量计算也被用于探索新型催化剂。质子交换膜可以选择性地允许质子通过膜，同时防止产生气体交叉。PEMWE系统的性能与质子交换膜的化学、机械和热性能密切相关。多空扩散层被用于支撑膜电极组件并收集电流，而双极板负责电流/热传导、物料分布、去除气态产物、以及保持PEMWE 系统的机械完整性。

要点三：PEMWE 的操作运行

工作温度、电流密度、工作压力是影响PEMWE系统性能的重要参数。堆栈组件约占PEMWE总成本的 60%，系统的稳定运行可以减少更换和维护费用，从而降低运行成本。因此需要控制催化剂团聚、质子交换膜中毒及化学降解、和机械故障等可导致组件退化的现象。

要点四：前瞻

1.开发稳定性强、效率高的新型材料。对于催化剂而言，现阶段的主要目标是减少贵金属使用量并提高其利用效率。值得注意的是，实验室中采用的三电极系统和工业应用时的环境不同，因此需要对电催化剂进行实际评估。另外其他组件如质子交换膜、多孔传输层、双极板的优化也是十分必要的。人工智能技术、密度泛函理论计算和高通量筛选技术可以帮助检查、分析和解释实验结果。2. 反应机理及组件退化的研究。对活性位点反应机理和结构演变的研究有助于推动催化剂的设计和合成。PEMWE系统的运行成本与电解槽的稳定性息息相关。加速压力测试和机器学习方法可以用以评估系统的运行和堆组件的腐蚀状况。3.制造方法和系统设计优化。对于系统组件的制备而言，自动化技术可以快速获得可调控的均匀材料。此外，系统的优化设计可以减少资本投入和运营费用。

图2 PEMWE技术的发展展望。

Recent advances in proton exchange membrane water electrolysis,Rui-Ting Liu,a Zheng-Long Xu, Fu-Min Li, Fei-Yang Chen, Jing-Ya Yu, YaYan, YuChen andBaoYuXia.Chem. Soc. Rev., 2023, Advance Article .DOI: 10.1039/d2cs00681b

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2023/CS/D2CS00681B

【作者简介】

徐正龙教授简介：徐正龙博士现任香港理工大学工业及系统工程系助理教授（博士生导师）、智慧能源研究院、超精密加工国家重点实验室核心成员、深空探测研究中心管理委员会成员。徐博士及其团队主要从事新能源转化及存储材料的制备及机理研究，在Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Energy Materials、Energy Environmental Science、Progress in Material Science等国际顶级期刊发表论文60余篇。徐博士课题组常年招收电化学方向博士生和博士后，感兴趣者欢迎来信咨询，课题组主页： https://www.zlxueel.com/ 。