一、PEM电解水制氢简介

PEM电解水制氢，也就是质子交换膜水电解制氢，是指使用质子交换膜作为固体电解质，并使用纯水作为电解水制氢的原料的制氢过程。

和碱性电解水制氢技术相比，PEM电解水制氢技术具有电流密度大、氢气纯度高、响应速度快等优点，PEM电解水制氢技术工作效率更高。

但是由于PEM电解槽需要在强酸性和高氧化性的工作环境下运行，因此设备对于价格昂贵的金属材料如铱、铂、钛等更为依赖，导致成本过高。

PEM制氢电解槽，山东赛克赛斯

二、PEM电解水制氢原理

PEM制氢主要分为以下4个步骤。

1.水电解和氧气析出

水（2H₂O）在正极上发生水解反应，在电场和催化剂的作用下，分裂成质子（4H⁺）、电子（4e^-）和气态氧（O₂），如方程（1）所示。

2H₂O=4H⁺+4e^- +O₂  （1）

2. 质子交换

4H⁺穿过含有磺酸基官能团的固体PEM，在电场的作用下到达负极。

3. 电子传导

4e^-电子通过外电路由正极传到负极。

4. 氢气析出

到达负极的4H⁺得4e^-生成2H₂，如方程（2）所示。

4H⁺+4e^-=2H₂  （2）

三、PEM电解水制氢催化剂

质子交换膜常见的商用产品是全氟磺酸聚合物薄膜，因此PEM制氢膜电极的工作环境呈现强酸性，各个部件的材料都需要考虑耐腐蚀的性能，催化剂也不例外，一般采用贵金属如铂、铱、钌等。

PEM电解水制氢阴极和阳极的催化剂是不同的，阴极为铂碳催化剂，阳极一般为二氧化铱、铱黑等铱基催化剂。低负载量是未来技术发展方向之一，除此之外，催化结构优化、废弃贵金属回收等也是行业关注热点。

1、阴极析氢：铂碳催化剂

Pt作为好的催化剂可以吸附氢气分子促成离解，是目前商用的首选。而铂碳催化剂，简称Pt/C，又称铂炭催化剂，是指一种将铂负载到活性炭上的载体催化剂，属于贵金属催化剂的细分品类之一。Pt负载量一般为0.4-0.6 mg/cm2。

化学还原法是目前最常用的铂碳催化剂生产方法，是指以活性炭、蒸馏水、六氯合铂酸溶液等为原材料，经过混合溶解、超声震荡、化学还原处理等环节生成铂碳催化剂的方法。

2、阳极析氧：铱基催化剂

由于阳极侧是高氧环境，阳极电化学催化剂只能选择抗氧化、耐腐蚀性强的Ir、Ru等少数贵金属单质及其氧化物。

RuO2和IrO2对析氧电化学反应的催化活性最好，IrO2的稳定性更好，所以IrO2是析氧催化剂的主要材料。

氧化铱的制备方法主要有热氧化法、化学沉淀法、亚当斯(Admas)熔融法、溶胶-凝胶法等等。比如，化学沉淀法通常是向铱盐水溶液中加入碱(如氢氧化钠)，经反应后得到氢氧化(Ir(OH)3(H2O)3或者IrOx·nH2O)沉淀，然后通过煅烧得到氧化铱。

目前PEM制氢催化剂相关厂商有：济平新能源、枡水新能源、喜马拉雅氢能、中自催化、贺利氏、优美科、庄信万丰、巴斯夫、田中贵金属、中科科创、氢电中科、中石油、中氢绿能、龙蟠科技、深圳航天科技创新研究院、凯大催化等。

来源：艾邦氢科技网综合整理

原文始发于微信公众号（艾邦氢科技网）：PEM电解水制氢催化剂解析