EEM | 南京工业大学综述：电解水制氢——弥合基础研究与工业应用之间的差距
EEM | 南京工业大学邵宗平&周嵬最新综述：电解水制氢——弥合基础研究与工业应用之间的差距
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研究背景
相比于石油裂解和水煤气法，电解水制氢纯度高、零碳排放，被视为实现双碳目标的关键技术之一。碱性电解水因其结构简单、电极材料成本低(非贵金属基电催化剂性能优异)等特点而受到广泛关注。质子交换膜(PEM) 电解水相对于碱性电解水的主要优势在于更高的安全性和可靠性，因为不使用腐蚀性电解液。跨膜在高压差下运行的可能性避免了氧气压缩。由于固体和薄膜，PEM电解比碱性电解具有更快的离子传输，该技术可以在比碱性电解槽更高的电流密度下运行。阴离子交换膜电解水制氢（AEM）工艺具有成本低、启停快、耗能少的优点，集合了与可再生能源耦合时的易操作性，同时又达到与PEM相当的电流和效率。虽然AEM可以同时兼具碱性和酸性电解技术优势，但由于处于发展初级阶段，目前AEM的产品寿命、产氢规模等方面是否能够满足商业化运行，还需要进一步的研究。
这些技术的可行性很大程度上取决于所涉及的两个半反应的电化学性能，即阳极的析氧反应（OER）和阴极的析氢反应（HER）。特别地，OER是一个热力学上坡反应（237 kJ mol-1），涉及一个复杂的，逐步的电子-质子耦合过程。因此，OER是整个过程中的瓶颈，与HER工艺相比，需要更高的过电位才能获得所需的电流密度。因此，人们在设计高性能、低成本的电催化剂，特别是OER催化剂方面投入了大量的精力。
基础研究与实际应用的差距是阻碍该技术跨越式发展的主要因素。除了常见的电催化剂设计策略之外，基础研究的其他测试方案如在高腐蚀性电解质和应用装置的高温下工作，也与工业条件下的测试方案有所区别。例如，实验室对设计的催化剂的催化性能评估通常在室温下低浓度碱性电解质（例如，0.1和1.0 M KOH）中进行，而商业碱性电解在工业温度（50-80℃）下使用高腐蚀性电解质（水中KOH含量为20-40 wt.%）进行。因此，弥合基础研究与工业应用之间的差距，将为下一代催化剂的设计提供重要的设计准则和测试方案指导。
图文赏析
图1. 电解水技术中基础研究和工业化应用之间的差异因素
图2. 碱性电解槽、PEM电解槽和AEM电解槽的基本构造以及电解槽设计过程中需要考虑的组成和影响因素
图3. 以碱性电解水为例，对比基础研究和商业化应用情况下操作条件的差异，如运行温度、电解液浓度、性能评价标准和催化剂研究种类等
图4. 以碱性电解水技术为例，电解槽运行过程路线图，以及电解槽系统和电堆成本分布
图5. 不同电解水技术催化剂设计的研究进展
