“技术”将每立方米制氢电耗降至3.83度，清华学者提出多孔膜催化剂取向生长策略，为高性能下一代膜电极提供新方法

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来源：DeepTech深科技

如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中，实现大规模、低能耗、高稳定性？这是中国科学技术协会在 2020 年度会议上发布的“10 个对未来技术和产业具有关键作用的工程难题”之一。

碱性膜电解水制氢具有良好的应用前景。实际上，电解水制氢技术由来已久，早在 1927 年，挪威已经出现能够在 1 小时生产 3000m³ 氢气的大型电解水车间。但由于电解水制氢装备贵、能耗高，价格更低的煤、石油制氢技术反而更快地发展起来。

最近几年，基于碳中和、碳达峰的目标，清洁能源被全球高度关注。2021 年，《麻省理工科技评论》将绿色氢能评为“全球十大突破性技术”（TR10）之一，并预测该技术将在 2030 年进入成熟期。 

如何大规模、低能耗、长寿命、低成本地发展制氢技术，成为科研界和产业界重点关注的方向之一。 

清华大学博士研究生万磊为论文第一作者，清华大学王保国教授为论文通讯作者。

制备 1m³ 氢气仅需 3.83 度电

通过在多孔膜中催化剂原位取向生长策略，制备的复合膜的跨膜泡点压强显著提高，膜面电阻降低至 0.05Ωcm2；基于耐碱的聚丙烯膜骨架的 CoNiS 纳米片状电催化剂，复合膜在 80℃ 的 30wt.%  氢氧化钾浸润 1000 小时后，膜面电阻未发现明显变化。

由于有序的三维 CoNiS 催化层结构、超低的膜面电阻及一体化的膜层/催化层界面结构，基于 CoNiS 纳米片阵列的整体有序膜电极在 1.6V 电压处实现 1000mAcm-2，单位制氢能耗降低为 3.83kWh，连续运行 1000 小时，膜电极性能稳定。

图丨采用“一体化”膜电极组件（MEA，Membrane Electrode Assembly）的先进碱性水电解原理图（来源：Nature Communications）

在该研究中，电解水制氢实现了高达 94% 的能量转换效率，居于该领域技术领先水平。从目前的市场来看，生产 1m³ 氢气消耗 4 度以内的电是很难的。由于能量效率与采用的基准有关，分母不一样效率也不同。因此，王保国认为，电解水中最重要的指标是看生产 1m³ 氢气需要消耗多少电能，更为简单明确，可以避免歧义。

他说：“这是目前全世界最好的指标，也是我们最引以自豪的地方。该研究最大的价值在于，我们从理论和实验两个方面，直接证实了阴离子交换膜（anion exchange membrane，AEM）在碱性环境中制氢，完全可以达到，或超过现有的质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）电解水制氢技术。”

图丨膜内含有垂直取向通道的膜电极性能（a）膜电极制备过程；（b）整体化膜电极表面；（c）不同离子膜综合性能比较；（d）比较不同电极的极化特性；（e）不同离子膜的膜面电阻比较；（f）整体膜电极断面结构；（g）膜与电极之间的界面；(h)不同膜电极在电流密度 1000mA.cm-2条件下的电解水制氢过程稳定性（来源：Nature Communications）

该研究中的多孔膜中原位生长策略是一种创新设计，通过材料结构的创新，降低电解槽内阻，最终实现性能提升。由于膜本身很薄仅 80-100 微米，膜内的微孔仅 0.2 微米，因此在其中制备特定取向结构充满了挑战。

研究团队从物理化学性质基本的特性出发，采用从小到大合成途径，将具备催化特性的离子作为前驱体制膜。

王保国表示：“在设计中最巧妙的是，发挥无机物结晶生长的取向特征，在微孔膜的限域空间内，形成取向结构的催化层。将无机催化剂定向生长和高分子膜柔软性的优势结合起来，让其在孔里长出结晶，实现取向生长。”

目前，该技术尚处于实验室阶段。据悉，该技术中没有高成本的原材料，未来进一步发展不受资源限制。另外，制备工艺简单可靠，从这个角度看，未来的放大生产并不困难。

但目前，全球在电解水制氢的高端技术和高端设备方面尚处于起步阶段。那么，在此背景下，该技术何时有望落地呢？

王保国指出，技术具体的落地时间取决于人、财、物、市场等各个方面的因素，以及技术是否能实现稳定、批量地用于制造产品，并降低制造过程成本。因此，需要在动态中寻找机会及不断地解决相关科学问题与技术难题。

“需要了解的是，这并不是一个孤立的技术，我们课题组在自支撑催化电极和 AEM 耐碱膜两个方向，已经与相关的化工公司合作进行产业化实施。该技术将作为我们下一代的产业化技术，将技术发展与装备发展协调，整体推进绿氢产业发展。”他说。

“做一时的技术，还是一世的技术？”

王保国本科毕业于清华大学化学工程系，之后在日本东京大学化学工程系获得博士学位，还曾作为访问学者在哈佛大学物理系学习。他发表学术期刊论文 160 余篇，学术报告 200 多次，申请和授权发明专利 29 项。

他回忆道：“我记得博士毕业回国是 5 月份，北京正在刮沙尘暴。我当时就想，与气候和能源的研究课题，将会不断涌现出很多新技术、新产业、与新机会。”

要做一时的技术，还是一世的技术？王保国的答案无疑是后者。在 20 年前，储能和绿色氢气并没有过多热度的时候，他便精准地结合技术的前沿和领域的发展动向，逐渐确定了研究方向。

他表示：“课题研究不能盲目跟风和‘赶时髦’，需要结合自己的科研经历和技术储备，我始终坚持的原则是‘可持续发展’。”

2004-2014 年期间，王保国课题组从零开始起步，研究全钒液流电池储能过程，开发从关键材料到装备的整套技术，并建立了两个工厂。他曾参与“十三五”储能产业发展规划，当时中国北方的地区大量弃风、弃光，而在东南地区则大量弃水。

那么，是不是能够用储能解决这样的问题呢？理论上看可以实现。但是，从实际工程建设角度考虑，只讲储能问题有失偏颇。当规模达到一定程度后，储能系统的成本高、投资回收期长等现实的问题，一直困扰产业发展。

利用大规模储能，能够提高风力发电、光伏发电以及潮汐能电力质量，但是，仅靠“储存”难以实现大规模、长周期能量保存，还需要积极发展能量转化技术。       

哪种载能物质符合绿色低碳的发展原理，成为王保国课题组长期关注的焦点。2014 年，在调查研究、比较不同的储能介质后，该课题组确认将氢气作为载能物质，有望实现大规模能量转化，并开始研究膜法电解水制氢技术与装备。

“地球表面约 71% 的面积被海洋覆盖，把水变成氢气需要加入能量，当氢气与空气中的氧气化合后，释放出能量后变成水，这完全是一个绿色的循环。并且最重要的是，这个循环完全不受任何资源限制并能实现可持续发展。”他说。

过去，大家常常“谈化工色变”，认为化工易燃、易爆存在安全问题。但是，通过电化学工程实现绿色发展，能够为人们提供更高效、更清洁的能源，为老百姓的衣食住行所需要能源提供新的选择。

王保国表示：“我希望大家积极地关注这个领域，不只关注领域的热度，而是关注这个领域背后的科学原理和工程原理。现在做储能最大的困难就是领域内的人才奇缺，因为学科的交叉性太强了。”

以研究开发电化学装备为例，需要懂电化学、材料学、化工装备、化学工程的复合型人才。目前，国内已有 63 所高校开设储能科学与工程专业，但王保国指出，国内外高校的课程体系，和课程内容还需要进一步和应用结合。

一方面，需要多学科交叉发展；另一方面，科研工作者在研究的过程中，需要通过教育或短期培训，快速补充相关的专业知识。“只有加快培养储能人才，才能促进产业的良性发展。”他最后说道。

1.Lei Wan, Maobin Pang, Junfa Le, Ziang Xu, Hangyu Zhou, Qin Xu，Wang, Baoguo, Oriented intergrowth of the catalyst layer in membrane electrode assembly for alkaline water electrolysis[J]. Nature Communications, 2022, 13:7956. https://doi.org/10.1038/s41467-022-35603-9.

2.Lei Wan, Ziang Xu, Qin Xu, Peican Wang，Wang, Baoguo，Overall design of novel 3D-ordered MEA with drastically enhanced mass transport for alkaline electrolyzers，Energy & Environmental Science，2022，1882-1892 . https://doi.org/10.1039/D2EE00273F

3.Lei Wan, Ziang Xu, Qin Xu, Maobing Pang, Dongcheng Lin, Jing Liu, and Baoguo Wang, Key components and design strategy of membrane electrode assembly for alkaline water electrolysis, Energy & Environmental Science, 2023，16，1384-1430.https://doi.org/10.1039/D3EE00142C

好了，关于将每立方米制氢电耗降至3.83度，清华学者提出多孔膜催化剂取向生长策略，为高性能下一代膜电极提供新方法就讲到这。