清华学者设计三维有序膜电极，提升碱性膜电解水制氢技术水平
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麻省理工科技评论-清华学者设计三维有序膜电极，提升碱性膜电解水制氢技术水平
中国的风力发电装机，去年已经超过 3 亿千瓦，光伏发电的装机量也在迅速增长。可再生能源发展是全世界的一个大趋势，与目前的火力发电相比，其最明显的缺点是不稳定、不连续，需要大规模的储能系统进行调节。然而，现有的储能技术太过昂贵。
清华大学化学工程系王保国教授团队，长期致力于储能研究，2004 年开始进行全钒液流电池技术开发，经历了十余年，使该技术在局部区域发挥作用。除液流电池外，还有锂电池、铅酸电池等多种电池储能技术，但是，要实现风能、光伏发电的平稳输出，仅仅考虑储能是远远不够的。
以北京冬奥会为例，为实现“绿色冬奥“，在张家口地区建设大量风力发电场，以及丰宁抽水储能电站，装机 360 万千瓦，蓄电量达 4000 万度。由于地质条件和水资源限制，可再生能源丰富的西北地区，很难达到理想的抽水储能电站建设条件。
王保国说：“我们在 2014 年就意识到，只做能源储存是有困难的，还需要考虑能源转化，而清洁、环保、又不受资源限制的，只能是电解水制氢技术。“ 另一方面，国家能源结构调整的战略需求，使很多研究者关注氢能技术。中国煤炭多，石油和天然气少，特别是石油的对外依存度超过 70%，因此，希望通过氢作为载能物质，替代燃油。此外，国家的“双碳”目标，也为氢能发展提供强大推动力。
目前，电解水存在亟需攻克的技术问题。首先，电解水过程耗电太多，产生一立方米氢气（标准状态下），需要消耗 5 度电左右，能量效率太低；其次，装备建设投资太贵。如何发展大规模、低能耗、长寿命的电解水技术，存在迫切的产业需求，也是困扰国家新能源发展的重大问题。
王保国说，电解水装置本质上是一种电化学反应器，其中涉及的电催化反应，以及多相传质过程十分复杂。电解水制氢中有两个矛盾。一方面，产生的氢气和氧气是不导电的，但是，只有在导通电子的条件下，电极反应才能顺利进行。如果想提高电流密度，减小过电势，需要首先考虑这一基本矛盾；另一方面，从安全角度出发，氢气和氧气必须用膜隔开。然而，隔膜的应用同时会增加内阻，不利于电解水过程的进行。
基于在膜技术领域的长期研究，针对催化电极和膜之间的界面阻力、界面传质问题，王保国教授课题组提出了“一体化“膜电极设计的概念，将“两个矛盾”实现对立统一。最近，其研究论文以《Overall design of novel 3D-ordered MEA with drastically enhanced mass transport for alkaline electrolyzers》（碱性电解水用有序化膜电极整体设计与传质强化）为题目，发表在 Energy & Environmental Science 期刊上[1]。
在这项研究中，为了提高能量转换效率和材料稳定性，特别是在高电流密度下，该团队设计了一种新型的三维有序膜电极（Membrane Electrode Assembly, MEA），制备成功含有垂直通道的多孔催化剂层（CLs）、超薄膜层（ML）和三维 CL/ML 界面结构。得益于三维有序的 MEA 整体结构和快速传质通道，电解池在 2.0V 的电压下实现了 4200mA/cm2 的电流密度，在碱性膜电解水制氢过程中表现了出色的性能。
该研究合成的整体有序膜电极以多孔泡沫金属为基体，其结构特征为：（1）高度多孔的催化层结构；（2）孔结构、气/液扩散层和膜层垂直排列；（3）膜层超薄化（约14μm）和三维有序界面。基于对电解池阻抗分析的新认知，这项工作提供了一种通用的方法来提高 MEA 的性能，通过增大界面接触面积，实现传质强化，对合理设计下一代碱性电解槽，以及高性能电化学反应器具有指导意义。
此外，基于纯水的碱性电解池, 在 2.0V 时实现了 3100mA/cm2 的电流密度，并且, 可以在 1A/cm2 的高电流密度下, 稳定运行超过 600 小时。该性能与日本、韩国、北美的相关论文和专利对比，在世界范围内属于领先水平。
高性能膜电极代表未来碱性膜电解水技术方向。研究初期，该团队意识到，传统方法制备的膜电极，存在粘结剂不导电，稳定性差的问题。经过全面的分析比较，团队决定从源头创新，开发自支撑催化电极，从根本上改善催化电极的稳定性。
据悉，王保国教授课题组在该方向取得了一系列的研究成果，并在多个期刊受邀撰写综述性论文。例如，发表于 ACS applied materials & interfaces 的《电解水的自支撑催化电极：基于表界面工程的催化电极设计》（Designing Self-Supported Electrocatalysts for Electrochemical Water Splitting: Surface/Interface Engineering toward Enhanced Electrocatalytic Performance）[2]；以及发表于 Journal of Power Sources 的《用于电解水过程的一维/二维纳米结构与自支撑电极》（A critical review: 1D/2D nanostructured self-supported electrodes for electrochemical water splitting）[3]。
谈到新技术工程化应用，王保国说，在未来工程化道路中，由于放大效应，实际获得的性能，会比目前实验室的测试结果差一些。但是，先进的认知能够指导我们进行工程化，少走弯路，如果最终能达到 1A/cm2 的电流密度，也是很不错的。另外，通过 2-3 年的努力，碱性膜电解水制氢的性能，将有望比肩甚至超过质子交换膜电解水性能。“我们已经与企业建立合作关系，希望能把先进的科学认知和结构设计，与工艺装备开发联系起来。”王保国提到。
通过电解水制氢技术产业化，有望实现可再生能源大规模转化与存储，推动绿色工艺和技术进步。未来，通过将零散的能源转换成氢气，以加氢天然气方式在管道中远距离输送，实现可再生能源的规模化消纳与高效利用。不仅如此，西部地区的电价很便宜，用电解水制氢代替煤气化制氢，重塑合成气制造流程，能够实现二氧化碳有效减排。
王保国说：“大规模电解槽装备开发，对化工工艺流程再造十分重要，电解水产生的绿氢、绿氧，不仅消纳可再生能源，而且作为化工原料，或者能源载体，促进过程工业技术进步，电化学装备制造会成为新兴产业。”
谈到研究中最重要的体会，王保国说，技术背后是科学原理，工程技术进步必须建立对科学原理的新认知上，技术发展需要依托基础研究。科学研究不是孤立的，需要将材料研究、装备开发与流程再造，有机地联系起来，才能真正形成解决实际问题的方案。只有将科学认知转化为工程实践，才能够切实推动产业技术进步。
-End-
1、Wan, L., Xu, Z., Xu, Q., Wang, P., & Wang, B. (2022). Overall design of novel 3D-ordered MEA with drastically enhanced mass transport for alkaline electrolyzers. Energy & Environmental Science, 15(5), 1882-1892.
2、Wang, P., & Wang, B. (2021). Designing Self-Supported Electrocatalysts for Electrochemical Water Splitting: Surface/Interface Engineering toward Enhanced Electrocatalytic Performance. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(50), 59593-59617.
3、Wang, P., Jia, T., & Wang, B. (2020). A critical review: 1D/2D nanostructured self-supported electrodes for electrochemical water splitting. Journal of Power Sources, 474, 228621.
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