阴离子交换膜电解水绿色制氢最新研究进展

研究背景

发展清洁高效的可再生能源是实现能源绿色转型和低碳增长的关键战略。氢能作为理想的“零碳”能源载体，可通过电解水技术高效转化为氢能与电能，在碳中和进程中扮演重要角色。其中，阴离子交换膜水电解技术（AEMWE）因其显著的成本优势和商业化潜力，正成为当前研究热点。该技术通过采用非贵金属电催化剂，成功融合了质子交换膜的高效性与传统碱性电解的成熟工艺优势，同时有望规避两者的技术缺陷，展现出广阔的应用前景。

研究进展

AEMWE技术的产业化进程主要受制于两个核心电化学反应——阳极析氧反应（OER）和阴极析氢反应（HER）的动力学性能，特别是Ni、Fe、Co等低成本、丰富的过渡金属催化剂的新材料开发和结构创新，旨在通过合金化和共掺杂提高催化效率，加速技术进步。其中，OER反应由于需要克服高达237 kJ mol⁻¹的热力学能垒，涉及多步电子-质子协同转移过程，其缓慢的反应动力学导致该过程需要施加更高的过电位才能达到工业级电流密度，成为制约整个水电解系统效率的关键瓶颈。这一技术挑战使得开发具有高活性、高稳定性的非贵金属OER催化剂成为当前研究的重点方向。例如，作者利用POMs的湿法蚀刻方法对镍铁基层状双氢氧化物（NiFe LDH）进行重构，实现了三维形态纳米裁剪、活性物种重构、缺陷引入以及POM多阴离子簇插层。这些结构和化学上的优化显著提升了催化剂的OER性能，使其在碱性条件下展现出低过电位（206 mV@10 mA cm⁻²）和优异的稳定性（24小时无明显衰减）。此外，研究还提出了一个经验公式来定量分析结构与活性之间的关系，为高效OER催化剂的设计提供了新的理论指导，有望推动AEMWE技术的发展。

与此同时，HER反应虽然热力学能垒较低，但在实际操作中，其动力学过程也存在一定的挑战，尤其是在高电流密度下，催化剂的活性和稳定性至关重要。黄华伟等人研究开发了一种由超薄W₅N₄壳层包裹Ni₃N纳米颗粒的纳米异质结构阴极催化剂（Ni₃N@W₅N₄）。其内置界面电场源于双相金属氮化物不同的晶格排列和功函数，促进了界面电子局域化，将反应决速步的能垒从1.40 eV显著降低到0.26 eV，在碱性HER中展现出优异的性能（60 mV@10 mA cm⁻²）和长期稳定性（500 mA cm⁻²下持续100小时），并在AEMWE器件中作为阴极时，于1 A cm⁻²电流密度下稳定运行超过80小时，为推动阴离子交换膜电解水制氢技术的产业化发展提供了重要的技术支持，有助于降低制氢成本并提高系统的整体性能。

未来展望

未来，AEMWE技术的发展将聚焦效率提升与稳定性突破，以加速其在绿氢规模化生产中的应用。关键技术突破包括：一是开发新型阴离子交换膜材料，通过分子结构设计实现高离子传导率、优异化学稳定性和机械强度的协同优化，从而降低膜电阻并延长使用寿命；二是设计高效非贵金属催化剂，结合理论模拟与实验验证，采用纳米结构调控、合金化等策略提升HER/OER活性位点密度与反应动力学；三是优化系统集成技术，通过电极-膜界面工程、三维流场设计等创新提升设备能效与运行稳定性。同时，建立标准化测试体系与长效评估机制，为产业化提供支撑。随着材料创新和工艺改进带来的成本下降，AEMWE技术有望成为绿氢经济的重要支柱，为全球能源转型提供关键技术解决方案。

来源：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0677