PEM电解槽阳极催化剂层改进总结 （面向大规模部署） 传统PEM电解槽阳极催化剂层，由分散在离聚物（离子导电聚合物）网络中的催化剂构成，主要有两种构型：催化剂涂覆膜（涂覆在膜上）与多孔传输电极（涂覆在PTL上），“膜电极”是二者的通用术语，可通过喷枪涂覆、超声喷涂、刮刀涂布等方法将催化剂层涂覆到膜或PTL等基底上，构型与涂覆方法会影响催化剂层性质及电解池性能。 阳极环境呈高酸性（pH≈0）、高氧化性（>1.3V），催化剂需在此条件下保持稳定，目前仅限贵金属。钌虽OER活性高但稳定性不足，铱成为主流选择，其中氧化铱（尤其无定形氧化铱）活性更高，不过耐久性低于晶体氧化铱，且催化剂状态会随电解池电位变化或与氢气接触而改变，长期测试需监测其状态。 铱年开采量仅7.5吨（远低于铂的200吨），是PEM电解槽规模化瓶颈，降低阳极催化剂层铱用量是成本控制关键。目前文献中铱载量已从>1mgIr·cm⁻²降至0.5mgIr·cm⁻²以下，但仍需突破：一是明确界面传输机制，二是识别降解模式，三是保障大规模生产的质量控制。 一、催化剂利用率优化 低载量下实现高催化剂利用率，需先优化催化剂层内外传输过程：质子通过离聚物相传输至膜，电子依托铱颗粒传导至PTL，液态水经PTL孔隙渗入催化剂层，氧气则反向排出。需注意，离聚物不导电，孤立或完全嵌入离聚物的铱颗粒无法传导电子。 “三相边界”（PTL、催化剂、离聚物交汇处）是OER反应唯一发生地，低载量时铱颗粒连接网络少，未直接接触PTL且无电连接的颗粒难以参与反应，三相边界缩小。此外，催化剂层因离聚物吸水溶胀进入PTL空隙（即“分层”），会导致铱颗粒分散、连接性下降，电子传导性与利用率降低，低载量下该问题更突出。 当前优化策略有三类：一是用静电纺丝制备的铱纤维，桥接孤立铱颗粒；二是改变催化剂形貌，如通过镍 - [...]

质子交换膜水电解主要降解机制总结 在质子交换膜（PEM）水电解技术中，阳极（析氧侧）的降解问题是制约电解槽寿命与成本控制的核心瓶颈，其中最关键的两类降解机制分别是铂涂层钛扩散层的溶解，以及铱基催化剂的氧化与溶解。以下对这两类机制及相关关联、应对方向展开详细说明。 一、铂涂层钛扩散层的溶解机制 1. 应用背景 PEM电解槽的阳极多孔传输层通常采用钛材料制作，但钛在高电位环境下易形成绝缘的氧化钛钝化膜，且自身接触电阻较高。因此，会在钛层表面镀一层极薄的铂，以同时实现“降低接触电阻”与“防止钛钝化”两大功能。 2. 降解发生环境 阳极侧处于极端恶劣的工况中：电位高达1.6-2.0 V [...]

晶格畸变铂褶皱纳米颗粒 : 碱性氢电催化性能研究总结 2025年12月发布的一项研究聚焦褶皱纳米颗粒中的晶格畸变现象，成功合成具有晶格畸变的铂（Pt）褶皱纳米颗粒（LD-Pt WNPs），显著提升其在碱性环境下的氢电催化性能，为氢能相关技术发展提供重要支撑。 一、研究背景 全球能源需求持续增长，环境污染问题日益严峻，开发清洁、可再生的能源系统成为当务之急。氢能作为高效、无污染的能源载体，被视为实现碳中和目标的关键，其制备（依赖氢析出反应HER）与利用（依赖氢氧化反应HOR）的核心过程，均需高效催化剂支撑。 目前，铂基催化剂是HER与HOR中效率最高的材料，但存在关键瓶颈：其在碱性介质中的活性远低于酸性环境，严重限制了在碱性燃料电池、电解槽等设备中的应用。因此，提升铂基催化剂在碱性条件下的催化性能，成为氢能领域的研究热点。 缺陷工程被证实是调控催化剂性能的有效策略——通过引入晶格畸变、空位、晶界等缺陷，可调节催化剂表面电子结构，优化反应中间体的吸附行为，进而改善催化反应路径。本研究正是基于这一思路，设计并合成新型铂基催化剂，突破碱性环境下的性能限制。 二、研究核心内容 [...]

电解槽技术从实验室到吉瓦级产业化的核心工程难题 当电解水制氢技术从实验室千瓦级样机迈向吉瓦（GW）级产业化应用时，核心挑战已超越催化剂活性、膜电导率等科研问题，转而聚焦系统工程层面，需跨越实验室研发与工业化生产的“鸿沟”。以下从四大核心工程难题及成功规模化路径展开分析。 一、均质化困境：从“工艺品”到“工业品”的一致性突破 实验室中，科研人员可制备活性面积仅几至几十平方厘米的高性能膜电极，而吉瓦级电解槽需数万平方米膜电极，由数十万甚至上百万个重复单元构成，一致性成为关键。 1. 材料批次一致性的量级跃升：实验室烧杯中均匀分散的催化剂浆料，在吨级反应釜中需应对搅拌剪切场、温度梯度、溶剂挥发动力学的变化，这些因素可能导致粒径分布、离聚物包覆状态差异，直接影响催化层微观结构；实验室使用的稳定膜片，在千米级连续化生产中，需保证厚度、离子交换容量、机械强度的面内与卷间一致性，微米级缺陷或不均会在串联电堆中放大为局部过载或气体交叉。 2. 制造工艺的精度与可重复性难题：涂布工艺从手工刮刀升级为百米/分钟的高速狭缝涂布后，浆料流变性、干燥动力学发生质变，边缘效应、厚度波动、干燥条纹等宏观缺陷概率骤升，微小不均会在吉瓦级规模下累积为严重性能损失与安全隐患；组装工艺中，实验室单电池或短电堆可通过精密夹具实现均匀压装，而包含数千个单体的吉瓦级电堆，需确保数米长压装平面上每个单体压力均匀，微小压力梯度会导致接触电阻不均、局部电流密度过高，引发热点并加速衰减。 二、尺度效应：多物理场分布的失衡与重构 电堆尺寸和功率指数级增长时，内部物理场分布并非简单放大，而是出现非线性变化，甚至颠覆性重构。 [...]

RuO₂催化剂在质子交换膜水电解（PEMWE）中的催化机制 质子交换膜水电解（PEMWE）是高效紧凑的制氢技术，其阳极析氧反应（OER）是制约整体效率的关键瓶颈，而RuO₂因优异性能，成为该领域酸性OER催化剂的研究重点，以下从多维度梳理其核心信息。 一、RuO₂成为PEMWE阳极OER关键材料的原因 RuO₂能成为PEMWE阳极OER的关键材料，核心源于三大优势：一是高本征活性，在酸性OER环境中，其活性通常优于IrO₂等其他贵金属氧化物；二是合适的氧结合能，处于“火山图”顶点附近，可平衡O、OH、*OOH等中间体的吸附与脱附过程，保障反应顺畅；三是良好的导电性，作为金属氧化物，能高效传输电荷，为反应提供有利的电子转移条件。 二、RuO₂在酸性OER中的催化机制 酸性条件下，OER总反应是水转化为氧气、质子和电子，该过程遵循吸附质演化机制（AEM），主要通过四步质子-电子耦合反应完成：第一步是水吸附解离，活性位点与水作用生成*OH、质子和电子；第二步是*OH氧化，转化为*O、质子和电子；第三步是*O与水反应，形成*OOH、质子和电子；第四步是*OOH释放氧气，活性位点恢复初始状态。 从活性位点与电子结构来看，RuO₂的活性位点多为配位不饱和的Ru位点（如Ru⁴⁺、Ru⁵⁺），尤其以表面低配位Ru原子为主；电子层面，Ru的4d轨道与O的2p轨道杂化，形成适宜的能带结构，助力中间体吸附与转化；此外，适量氧空位可调节Ru的氧化态，促进*OOH形成与氧气脱附，进一步优化催化过程。 三、RuO₂在实际PEMWE中的挑战与衰减机制 尽管RuO₂催化活性高，但在PEMWE的强酸性、高电位、氧化性环境中稳定性较差，主要衰减机制有三方面：其一，Ru的溶解与氧化态升高，高电位（>1.5 V [...]

碱性氢氧化反应中Pt基催化剂研究总结 本文围绕Pt基催化剂在碱性氢氧化反应（HOR）的研究展开，系统梳理理论机制、材料设计及实际应用，为氢燃料电池产业化提供参考。 从研究背景看，氢燃料电池是碳中和关键技术，阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）因可使用非贵金属阴极、材料成本低具优势，但商业化受限于阳极碱性HOR动力学缓慢。酸性HOR路径简单、Pt基催化剂活性高，而碱性HOR涉及水分子解离、OH⁻传输等多步骤，动力学比酸性低2-3个数量级，即便用高活性Pt基催化剂，碱性条件下交换电流密度仍低，需提升近10倍Pt载量，大幅推高成本。因此，理解碱性HOR机理、设计高活性、高稳定性、低Pt载量阳极催化剂，成为氢燃料电池产业化核心问题。 在HOR基础原理方面，碱性HOR遵循Tafel–Volmer或Heyrovsky–Volmer路径，OH⁻以自由离子或吸附态OHad参与反应。氢结合能理论（HBE）与双功能理论是核心活性描述符，HBE决定Had脱附难度，双功能理论要求催化剂同时具备优化的Had与OHad吸附位点。pH依赖性源于三点：HBE随pH升高增强，Had更难脱附；碱性下界面水分子呈“H-down”构型，形成溶剂化结构抑制Had脱附；OH⁻参与方式随pH变化，增加反应复杂度。 Pt基催化剂设计有四大优化维度。晶格结构调控通过应变效应调节Pt的d带中心优化HBE，如伪晶Pt层外延生长在IrPd核上，可增强与H₂O的相互作用提升稳定性；形貌工程中，核壳结构壳层厚度影响电子结构与应变效应，如2层Pt壳的Ru@Pt催化剂在酸碱中均表现出最优HBE与活性；合金效应通过电子效应（调节d带中心）与亲氧效应（促进OHad吸附）提升性能，如PtRu合金，原位拉曼检测到OHad信号支持双功能理论；尺寸效应上，1nm Pt粒径活性较优，Pt₆纳米团簇与Pt单原子催化剂通过配体效应优化HBE与CO耐受性。 反应机理研究依赖理论模拟与原位表征结合。密度泛函理论（DFT）计算可预测HBE、反应自由能垒等，揭示电子结构与催化活性关联；原位拉曼光谱能检测OHad信号，为双功能理论提供证据；原位红外光谱可区分不同位点的Had物种；X射线吸收谱则用于分析催化剂原子配位环境与电子态。 在AEMFC实际性能中，Pt/C阳极峰值功率密度为0.6 W·cm⁻²，PtRu/C可达1.0 W·cm⁻²；PmPt@IrPd/C催化剂Pt载量仅0.009 [...]