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文 章 信 息
开发实用的高电流密度电解水催化剂
第一作者：张晓涵，曹晨天
通讯作者：吕坚*，单洁琼*
单位：香港城市大学
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研 究 背 景
随着全球对于低碳经济的追求，绿色氢气的工业规模生产成为一个重要目标。然而，尽管实验室中研发的催化剂在低电流密度下表现出优异的电解水性能，但在工业所需的高电流密度条件下，这些催化剂的活性和稳定性往往会显著下降，因此需要进一步研究以缩小催化剂在实验室开发与在工业应用之间的差距。
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文 章 简 介
近日，来自香港城市大学的吕坚教授与单洁琼教授合作，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Developing Practical Catalysts for High-Current-Density Water Electrolysis”的观点文章。该观点文章对比了工业电解水技术的关键参数和性能指标，涵盖了碱性电解槽、阴离子交换膜电解槽以及质子交换膜电解槽。随后梳理了在高电流密度条件下析氢和析氧反应催化剂的代表性进展，分析了决定催化剂在高电流密度下性能表现的关键因素，包括本征活性、机械/化学稳定性及传质。本文还提出了催化剂从实验室阶段过渡到工业应用阶段的流程，为实现催化剂的大规模应用开发提供了指导性建议。
图1. a) 示意图描绘了通过弥合实验室研究成果与实际工业应用的差距，高电流密度下的电解水技术在绿色氢气生产中所发挥的关键作用。b) 2020 年和 2050 年电解水电流密度的比较。c) 各种氢气生产技术的比例分布。
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本 文 要 点
要点一：工业规模电解水现状和成本分析
通过分析实验室和工业水电解系统间的差距，对比了催化剂在两种条件下的配置和性能评估的差异，特别关注了市场中主流低温(<100°C)水电解槽的评估参数。此外，对商业电解槽进行了成本分析，并强调了催化剂对电解槽成本的显著影响。
表 1. 实验室和工业水电解槽的参数对比。
图 2. 三种商用电解槽参数比较：a) 工作温度、b) 电流密度、c) 电池组寿命、d) 电池效率（低热值，LHV）和 e) 电池组的资本成本。
图 3. 实验室规模和工业规模水电解装置的成本构成。
要点二：高电流密度条件下电解水催化剂的设计原则
通过关注高电流密度条件下工作的高效、耐用且价格低廉的催化剂的最新进展， 本文聚焦分析高电流密度对催化剂的电荷转移和物质转移的影响，并提出了相应的提升策略。针对高电流密度下的活性提升，重点介绍了掺杂/缺陷工程、异质结构、应变工程和相工程等策略，旨在优化工业电流密度（>200 mA cm-2）下催化剂的电子结构，改善其吸附能和电荷转移能力。针对稳定性的提升，总结了动态修复、优化表面重构和优化催化剂-载体或离聚物的相互作用等策略，来增强催化剂的化学稳定性；同时通过开发一体化自支撑电极、3D技术打印电极、制备低维催化剂等策略提高其机械稳定性。针对传质能力的提升，可以设计具有多孔、分层的催化剂结构，采用阵列、分层、3D打印及仿生结构组装催化剂，并精确调控催化剂表面润湿性，促进气泡的快速释放，提高整体电解效率。
图 4. 电荷转移、吸附能和物质转移对高电流密度水电解中催化剂活性的影响。左侧部分显示了催化剂内部和表面，以及催化剂-电解质和催化剂-载体界面的电荷传输过程。中间部分总结了调控吸附能的代表性催化剂工程策略，包括掺杂/缺陷、异质结构、应变工程和相工程。最右侧部分说明了高电流密度水电解过程中的物质转移过程，显示了可能导致析氢电极活性损失的质量传输和对流过程。
图 5. 示意图显示了高电流密度条件下典型的催化剂降解路径，包括化学腐蚀（溶解、载体腐蚀和离子聚合物降解）、结构演变（团聚和表面构造）和机械降解（催化剂脱落和电解质对流）。
图 6. a1) 单相中可能的气泡变化过程和 a2) 影响 H2 析出电极电位损失的气体放出系统。a3) 附着气泡对电位增加 a4) 和电极电流分布的影响。a5) 不断增长的气泡周围气态产物的浓度分布。b–d) 增强高电流密度下催化剂传质的相应策略。
要点三：由实验室规模迈向工业规模电解水
图 7. 用于评估 HCD 下催化性能的新描述符（左）和将实验室催化剂应用于工业电解水的推荐流程（右）。a) 过电位 (>200 mA cm−2) 和 b) 耐久性 (>1000 h) 和衰减率 (<10%)。c) 稳定性数值。d) 归一化活性面积。e) R𝜂/j：量化的物质转移影响。f) 电化学阻抗谱的奈奎斯特图和 g) 弛豫时间分布分析。
本文提出了一套简化的从实验室设计到工业应用的催化剂逐步评估流程，重点关注催化剂大规模合成可行性及在高电流密度下的低过电位和良好耐久性。考虑工业环境中的条件（高温、高浓度电解液、高压以及电解液的快速流动）会对催化剂的本征反应动力学和物质传递产生影响，构建结构-性能关系非常重要但极具挑战。建议在膜电极组件配置的电解槽中，通过快速启停测试来有效评估催化剂在波动可再生能源供电条件下的表现。
要点四：前瞻
为了加速工业规模水电解制氢进程，虽然在研发高效、价格低廉的催化剂方面已经取得了实质性成果，但未来仍需要克服一些挑战。首先，需确立高电流密度水电解催化剂的筛选标准，确保其在低过电位下具备高效性和长期稳定性，同时适应工业非纯净水质和宽pH范围。其次，需降低催化剂成本，特别是减少PEM电解槽中贵金属的使用，并为AWE和AEM电解槽开发无贵金属催化剂。此外，需建立适用于高电流密度条件的催化剂性能描述符，以准确评估催化剂活性和稳定性。在催化剂的开发过程中，还需实施高温、高浓度、循环电解液、快速启停等严苛条件下的预测试，并在预测试装置中结合原位表征技术，揭示催化剂在高电流密度下的降解机制。关于催化剂的制备，还应考虑经济性和可回收性，建议使用创新的制造方法（如3D 打印）来实现大规模生产中催化剂的质量和性能一致性。最后，需加强学术界和工业界合作，确保贴近行业的关键需求，从而推动催化剂基础研究到工业应用的过渡。
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文 章 链 接
“Developing Practical Catalysts for High-Current-Density Water Electrolysis”
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202402633
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通 讯 作 者 简 介
吕坚教授简介：现为香港城市大学机械工程系讲座教授、工学院院长。法国国家技术科学院院士。香港工程科学院院士、国际实验力学学会院士。研究兴趣为实验力学、残余应力、力学性能冶金学及4D打印。在Nature（封面）、Science、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等专业期刊上发表论文500余篇，引用46000余次，h因子95，入选全球前2%顶尖科学家榜单；已取得86项欧、美、中授权专利。
个人主页：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian
单洁琼教授简介：现为香港城市大学化学系助理教授。研究兴趣为面向新能源技术的纳米电催化剂开发。近年来，作为第一/通讯作者，在国际权威期刊发表学术论文30余篇，包括Science Advances、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Chem和ACS Nano 等， 总引用超过3400余次，h因子22；入选全球前2%顶尖科学家榜单。
个人主页：https://www.cityu.edu.hk/chem/people/academic-staff/jieqshan
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