东芝公司 (TOKYO: 6502) 已开发出大规模的电极生产技术，该技术可实现电力到氢气 (P2G) 技术的高效率，这是向碳中和迈进的关键技术社会，同时将世界上最稀有的贵金属之一铱的使用量减少到 1/10。
P2G 利用水的电解将可再生能源转化为氢气，用于储存和运输到需要的地方。质子交换膜 (PEM) 电解被视为一种非常有前途的转换方法，因为它对功率波动反应迅速并且非常耐用。然而，PEM 使用铱（所有交易贵金属中最稀有的一种）作为其电极中的催化剂。实际应用需要减少使用的铱，这是一个真正的挑战。
东芝开发了一种氧化铱纳米片叠层催化剂，在 2017 年将铱的需求量降低到了 1/10。该公司现在已经开发出大规模生产技术，可以一次将催化剂沉积在最大 5m2的面积上。这一进展有望推动 P2G 在大规模电力转换方面的早期商业化，并将有助于实现碳中和。东芝的目标是在 2023年或之后实现商业化。
P2G 被视为到 2050 年实现碳中和的重要解决方案。它使用电解将可再生能源中的电力转化为氢气，以备储存和运输。该过程的关键技术是水电解器，可将能量转化为氢气而不排放 CO2。PEM水电解具有出色的功率波动适应性和高耐用性，欧洲和美国在开发当前工艺方面处于领先地位。
图 1：MEA 的结构（图示： Business Wire）
PEM 使用集成了电解质膜和电极的膜电极组件 (MEA)（图1）。电力的大规模氢转化需要大量的多边环境协定，预计到 2028 年市场规模约为 5.8 亿美元。
MEA电极依赖大量的铱来确保足够的电解效率。铱是最稀有的贵金属之一。全球年产量在 7 至 10 吨左右，远低于 200 吨的铂金，成本高出 4 至 5 倍。形成电极需要均匀涂覆精细的氧化铱颗粒，减少氧化铱会导致应用不均匀和反应不均匀，从而降低水电解性能。
图2
东芝的多层催化剂使用一种新的溅射技术（图2）来沉积氧化铱纳米片薄膜和空隙层的交替层（图3）。在溅射中，离子（如氩气）在真空中轰击沉积材料（靶材），并将喷射的粒子沉积在基板上（图2）。在东芝的工艺中，铱是靶材，当靶材沉积在基板上时，通过注入氧气形成氧化铱薄膜。厚度控制在纳米级，以较少的铱实现均匀氧化铱层的沉积。
图3
在催化剂层中使用东芝的层压纳米片结构成功地将所需的铱减少到 1/10，同时保持水电解性能（图4）。它还显著扩大了沉积表面积。由于溅射是在真空中进行的，因此难以在大面积上进行沉积。然而，通过修改包括铱在内的多种金属靶材的沉积分布比例和氧气输入水平，东芝成功开发了一种大规模生产技术，可实现催化剂一次沉积面积高达 5m2（图5）。
图4
图5
东芝与东芝能源系统与解决方案公司合作，基于所开发的技术制造了带有电极的 MEA 原型，并已开始与一家水电解槽制造商进行评估测试。展望未来，公司将提高产量和质量以实现 MEA 的量产，目标是在 2023 财年或之后实现商业化。
