PEM制氢 | 膜电极之电催化剂 - 艾邦氢能源技术网

MEA (membrane electrode assembly)是质子交换膜电解水（PEMWE）的关键设备【也是PEM燃料电池的关键核心设备】，它采用三明治结构，包含固态电解质膜（即质子交换膜）、催化剂层（CL）和气体扩散层（GDL）。作为电极反应发生的场所，CL 和 GDL 的结构对反应物和产物的转移（气液两相流）、阻力、质子和电子的运动以及电极反应的其他相关过程都有很大影响。因此，优化 MEA 的结构始终是提高 MEA 性能的关键问题。催化剂层是负载催化剂的部分，分别由阴极催化剂层和阳极催化剂分别构成析氢电极和析氧电极。阴极催化层的催化物质通常为铂，通常为铂纳米颗粒负载在多孔纳米碳上。阳极催化层的催化物质通常为铱或其氧化物（如二氧化铱）。

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膜电极组件（MEA）是由质子交换膜（PEM）、催化剂和平板电极组装而成的堆栈。质子交换膜夹在嵌入催化剂的两个电极之间。质子交换膜使两个电极相互绝缘。这两个电极分别构成阳极和阴极。通常电极是热压在 PEM 上的。

在 PEM 水电解中，碳支撑的铂纳米粒子被用作阴极【析氢电极】的电催化剂，以促进 HER（hydrogen evolution reaction，析氢反应），析氢反应发生在负电极，析氢反应式如下：

用于 HER 的 Pt/C 催化剂的扫描电镜图

在析氢电极中，导电炭黑用作电子载体，它们通常通过碳氢化合物的热分解（乙炔黑，【乙炔黑是由碳化钙法或石脑油（粗汽油）热解时副产气分解精制得到的纯度99%以上的乙炔,经连续热解后得到的炭黑。乙炔炭黑纯度很高，含碳量大于99.5%，氢含量小于0.1%，氧含量0.07%～0.26%。pH值5～7。电阻率极低，具有优良的导电性、导热性和抗静电效果。】）或部分氧化（炉黑）制备而成。炉黑的商用实例有 Vulcan® 或 Black Pearls（卡博特公司）和 Ketjen® 黑（阿克苏诺贝尔公司）。这些碳质基材的制造方法不同，导致碳黑的石墨和无定形碳的等级也不同，比表面积从 10 到 2000 平方米每克不等。炭黑含有非常小的颗粒（10-40 nm 厚），在合成过程中往往会形成 20-100 nm 宽的聚集体。孔隙网络包括颗粒本身的孔隙和这些颗粒聚集形成的孔隙。

在燃料电池技术中，最好使用通过化学还原某些铂前体（如六氯铂酸）而获得的致密小（纳米范围）铂颗粒。

在阳极方面，几乎没有任何支持电子载体可用。铱（金属或氧化物）是酸性介质中最有效、最稳定的 OER 催化剂，阳极反应式如下：

通常使用浸渍了聚合物离子膜链的无支撑氧化铱颗粒（下图）来形成阳极催化层。

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用于 OER 的二氧化铱催化剂的扫描电镜图

当前，催化剂的制备上最广为关注的问题，就是成本问题，因为使用了铂、铱等贵金属。这是制约PEM制氢和PEM燃料电池发展的关键因素。目前看来，PEM制氢应用上，开发新型的非贵金属催化剂代替在短期是不太可能的，毕竟PEM的发展经历了数十年，还没有研发出能够完美替代铂、铱的催化剂。那短期来说，就只剩下一条路：降单位面积低铂、铱的用量！！！从膜电极的制备工艺和膜的结构上优化，保证催化剂性能和结构的稳定性。在这些工作上，已经取得了一些进步，也将会诞生若干个有价值的公司。但是，我们也应该警惕一些问题，如：产品的底层逻辑没有成熟，而资本市场的过度吹捧；行业普遍讲故事，讲商业模式；某些研发脱离实际，为创新而创新，为综述为综述，不研究如何做好产品，不考虑节省成本和资源；

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原文始发于微信公众号（新能源电子电气）：PEM制氢 | 膜电极之电催化剂

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