近日，我院郑南峰院士及陶华冰副教授研究团队应邀在Nature Nanotechnology期刊以“The gap between academic research on proton exchange membrane water electrolysers and industrial demands”为题发表评论文章（DOI: 10.1038/s41565-024-01699-x），深入探讨了质子交换膜电解水（PEMWE）技术在基础研究与工业应用之间存在的关键差距，并为未来研究方向提供一些思考。
在实现碳中和目标的全球背景下，PEMWE技术因其能将大规模可再生能源电力转化为绿色氢气的独特优势而备受瞩目。然而，尽管该领域的基础研究投入了大量资源，但学术成果向工业规模PEM电解槽的转化进展依然缓慢。特别是PEM电解槽对贵金属如铱和铂的依赖，导致其成本居高不下，约为碱性电解槽的3-5倍，严重阻碍了其大规模应用。
通过对Web of Science数据库中近3000篇相关文献的调研，研究团队发现，当前学术研究主要聚焦于贵金属及非贵金属催化剂的开发，却相对忽视了PEM电解槽的其他关键组件，如催化层（CL）、双极板（BPP）、气体扩散层（GDL）和多孔传输层（PTL）。这种研究重点的偏差导致一些重要技术问题被忽视，进而影响PEM电解槽的整体性能和成本效益。
a. PEM电解槽从单个电池放大到100 kW的电堆。中国国家能源局认证的首台套先进设备“低铱载量高电流密度PEM电解槽”，
铱载量：0.4 mg/cm²，性能：2.7 A/cm² @ 1.8 V。
b. 放大过程中PEM电解槽的极化曲线。
c. 四通道PEM电解槽测试系统。
评论文章指出，学术界致力于推动催化剂活性的极限，而工业界则需要在成本、稳定性和安全性之间取得平衡。工业应用要求PEM电解槽在波动条件下稳定运行超过十年，这对电解槽的工况稳定性提出了极高的要求。然而，学术研究通常只进行短期的稳定性测试，无法全面解答工业界关心的长期耐久性问题。此外，评论还强调了规模化过程中技术放大与缩小之间的平衡问题。由于传热、传质及电荷传输在大型电解槽中的协同作用更加复杂，简单地放大技术往往会导致较大的性能损失。因此，构筑有效模拟电解槽实际工况的小型电解槽研究系统，深入认识影响电解槽性能的不同层面要素，可以为新技术的放大与应用提供重要支持。
面对可再生能源的波动性挑战，评论文章提出了扩大PEM电解槽可运行区间的需求。为了降低氢气的成本，PEM电解槽需要能够在低负载和过载工况下稳定且高效地运行。虽然全球安装了数百兆瓦的PEM电解槽，但关于其在实际波动电力条件下的性能数据仍然不足，这为未来的研究指明了方向。
郑南峰院士及陶华冰副教授团队的这项研究成果不仅揭示了PEMWE技术在学术研究与工业应用之间的关键差距，还为该领域的未来发展提供了见解和指导。通过加强学术界与工业界的合作与交流，共同解决PEMWE技术面临的挑战，有望推动该技术早日实现大规模应用，为碳中和目标的实现贡献力量。
我院郑南峰院士、陶华冰副教授为该论文共同通讯作者。该工作得到国家重点研发计划(2023YFB4004600)、嘉庚创新实验室 (IKKEM) 科技项目 (RD2021010401) 、福建省科技项目 (2022L3077、2022H0004) ，以及固体表面物理化学国家重点实验室等支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41565-024-01699-x
图文链接：https://chem.xmu.edu.cn/info/1274/28054.htm