PEM electrolyzers: 通过材料创新推动绿色氢能发展

在消费者和监管压力不断加大的背景下，全球各行业都在寻找降低碳排放、实现可持续发展目标的方法。虽然采用风能和太阳能等可再生能源确实有帮助，但仅靠电气化还不足以抵消那些难以减排的行业，包括：

• 钢铁生产
• 化工
• 炼油
• 重型运输和航运
• 长时储能

这些行业同样需要清洁燃料——但如今生产的大多数氢气仍来自化石基来源。

这正是绿色氢能发挥作用的地方：通过电解将水分解为氢气和氧气，绿色氢能已成为迈向低碳未来最具前景的路径之一。根据国际能源署《Global Hydrogen Review》，2025 年全球绿色氢能电解槽产能翻倍，超过 4 吉瓦，且到 2026 年还有更多项目在建。

质子交换膜（PEM）电解已成为支撑这一规模扩张的领先技术。要弥合当今 PEM electrolyzers 与行业长期所需的成本、耐久性和性能之间的差距，首先要深入理解每个电堆中所使用的材料。

什么是 PEM electrolyzer？

PEM 电解是一种利用电能将水分解为氢气和氧气的技术。PEM electrolyzer 电池包含一套集成的关键部件，每个部件在电和水的输入，以及氢气和氧气的输出过程中都发挥着不同作用。这些部件包括：

• 质子交换膜：允许质子从阳极传导到阴极，同时防止氢气和氧气混合
• 阳极催化层：承载析氧反应（OER），水在此分解为氧气、质子和电子——通常使用铱基催化剂
• 阴极催化层：承载析氢反应（HER），质子和电子在此重新结合生成氢气，通常使用铂基催化剂
• 多孔传输层：将水输送至催化层，并让氢气和氧气流出
• 双极板：在每个电池上均匀分配电流和流体流动，并在电堆中将相邻电池隔开

PEM 电解如何工作？

在电池内部，质子交换膜位于两个带相反电荷的电极之间，电解反应就在膜的两侧发生：

• 在阳极（带正电）：水被送入，施加的电压将 H₂O 水分子分解为氧气、电子和氢离子（H⁺，即质子）。
• 在阴极（带负电）：穿过膜的质子与通过外部电路到达的电子重新结合，生成氢气。

质子交换膜是这一过程的基础。作为一种固态质子传导材料，它允许质子通过，同时充当物理屏障，防止氢气和氧气混合。

正是这种功能组合，使 PEM electrolyzer 电池能够在紧凑的占地面积内以高电流密度运行，同时仍能生产高纯度氢气。由于每个电池仅在低电压下产生少量氢气，因此要实现工业规模的产量，制造商会将数十个或数百个这样的电池串联起来，通过电连接形成所谓的“电堆”。

为什么材料表征对 PEM electrolyzers 至关重要

加速 PEM 电解创新依赖于快速而准确的材料表征。研究人员需要对多种材料特性获得精确洞察，包括：

• 晶体结构
• 组成
• 氧化态
• 粒径
• 分散稳定性
• 运行过程中的结构演变

表征数据将这些特性与性能直接关联，帮助研究人员更快优化材料，并做出基于证据的研发决策。这代表了该领域的一个更广泛转变：从缓慢的试错式开发转向数据驱动的材料工程。

关键在于，高级表征帮助研究人员理解材料为何会呈现这样的性能表现，并提供关于如何改进它们的关键信息。

PEM electrolyzer 催化剂的表征

电极催化剂开发仍然是 PEM 电解研究中最活跃的领域之一，这并不令人意外：催化剂既是技术瓶颈，也是电堆中最大的单一成本驱动因素。当前大量研究集中在：

• 减少阳极使用的铱用量
• 提高催化活性
• 提升耐久性
• 降低电堆总体成本

实现这些目标需要对催化剂在整个生命周期中的结构有深入了解——从新制备、到活性运行期间，再到运行或循环之后。尤其是退化研究，可以准确揭示催化剂性能为何以及如何随时间下降，从而为研究人员指明实现更长寿命电解槽所需的具体结构或组成变化。

催化剂化学组成、结构与实际耐久性之间的这种联系，正是材料表征能够直接支撑行业降本和商业化扩展目标的原因。

支持 PEM electrolyzer 开发的分析技术

没有任何一种单独的分析技术能够告诉研究人员关于 PEM electrolyzer 材料所需了解的一切。要构建材料性能及其原因的完整图景，需要一系列互补技术，每种技术都适合表征拼图中的不同部分。

X 射线衍射（XRD）

XRD 可识别并定量催化剂材料中存在的晶相，并通过衍射峰的位置、宽度和强度揭示关键结构参数，如晶粒尺寸、晶格应变和晶格参数。

在 PEM electrolyzer 催化剂研究中，XRD 非常适合监测材料在开发过程中以及整个运行寿命中的结构变化，同时也可用于确认新型铂基或铱基合金的晶相。

由于 XRD 数据可快速且可重复地采集，因此它在退化研究中同样有用——即在循环前后测量同一样品——也适用于日常材料优化。

我们紧凑型 Aeris 台式 X 射线衍射仪可完成常规晶粒尺寸和相分析，而我们的模块化 Empyrean 平台则增加了 X 射线散射和原位能力，用于跟踪催化剂在加热、循环或其他真实工况下的结构变化。

X 射线荧光（XRF）

XRD 揭示结构，而 X 射线荧光则分析元素组成。XRF 可验证催化剂组成和贵金属负载量：例如确认铱或铂的负载是否符合规格，或检查 Pt 合金催化剂中金属的配比。

因此，一旦催化剂配方走向制造阶段，它就非常适合用于材料质量控制和生产一致性。由于催化剂成本与贵金属含量紧密相关，准确的元素分析可帮助团队确认是否真正达到了新材料设计时设定的负载和组成目标。

我们用于催化分析的 XRF 解决方案包括落地式 Zetium 光谱仪，可提供高精度组成和负载验证所需的分析能力。

台式 Epsilon 1可为常规催化剂筛选提供无需标样、快速出结果的元素分析，而更高通量的Epsilon 4则适用于样品量更高的生产线质控。

XANES 和 EXAFS

XRD 和 XRF 可揭示晶体结构与元素组成，但都无法显示单原子层面的电子态变化。

这正是X 射线吸收光谱（XAS）的作用所在。XAS 光谱由两个区域组成：

1. XANES：X 射线吸收近边结构
2. EXAFS：扩展 X 射线吸收精细结构

每个区域都能揭示被研究原子的不同信息。XANES 对氧化态和配位几何尤其敏感，而 EXAFS 则揭示邻近原子的距离和配位数。结合起来，这些测量可提供关于氧化态和特定元素周围局域原子环境的洞察，即使在衍射单独难以胜任的复杂、多相或非晶材料中也同样有效。

对于 PEM electrolyzers，这一点尤其重要，因为研究铱基析氧催化剂时，运行过程中铱氧化态和配位环境的细微变化与催化活性和长期退化都密切相关。理解这些原子尺度的细节，正是研究人员能够设计出真正提升活性和稳定性的下一代催化剂，而不是仅仅在整体组成上反复迭代的原因。

Empyrean XAS可在与 XRD 和散射相同的模块化 Empyrean 平台上提供基于实验室的 XANES 和 EXAFS 数据，因此 PEM electrolyzer 研究人员无需争抢稀缺的同步辐射机时，也能研究局域原子环境。

粒子表征

催化剂粒径和分散性会直接影响催化层的性能。更小、分散更均匀的颗粒可使每克贵金属暴露出更多活性表面积，而分散不良或团聚的颗粒则会浪费催化潜力并增加成本。

粒子表征数据可直接用于催化剂浆料配方与优化，典型应用包括：

• 纳米粒径测定
• 团聚评估
• 分散稳定性研究

Zetasizer Advance 系列可测量纳米粒径和 zeta 电位，用于评估催化剂浆料的稳定性和分散性。此外，我们的 Mastersizer 3000+ 激光衍射系统可表征与催化剂粉末和载体相关的更广泛颗粒和团聚体粒径分布。

NanoSight Pro 上的纳米颗粒跟踪分析，以及 Morphologi 系列上的自动静态图像分析，也提供了互补的逐颗粒视角——可对单个纳米颗粒进行计数和粒径测定，并评估团聚体形状——帮助验证上述体相测量结果。

技术	揭示的信息
X 射线衍射（XRD）	晶相、晶粒尺寸、晶格应变
X 射线荧光（XRF）	元素组成、贵金属负载量
XANES / EXAFS	氧化态、局域原子环境
粒子表征	粒径、分散稳定性、zeta 电位

PEM electrolyzer 研究的未来趋势

PEM electrolyzer 研究正在不断推进，该领域的未来取决于材料、制造和系统设计的协同创新。若干正在汇聚的趋势正在塑造这项技术的下一步发展，开发者希望实现：

• 更少的贵金属用量：大量研究致力于在不牺牲性能的前提下降低阳极铱负载，同时寻找替代催化化学体系，并更高效地利用仍然必需的贵金属。
• 更高的耐久性：随着行业努力延长运行寿命，理解整个电堆的退化机理正变得与原始性能同等重要。
• 更高性能的系统：持续研究的目标包括更高电流密度、更高效率和更高氢气产量，同时努力降低运行成本。
• 吉瓦级制造：为满足不断增长的氢能需求，电解槽制造正迅速扩张，这使得在巨大产量范围内保持稳健的质量控制和一致的材料性能，成为一项新兴的工程挑战。
• 可再生能源整合：随着更多波动性的风能和太阳能装机接入电网，PEM electrolyzers 正在可再生能源生态系统中扮演越来越重要的角色，并有潜力为电网平衡、储能和行业耦合做出贡献。

通过更智能的材料表征推动 PEM electrolyzers 发展

预计在未来十年中，PEM electrolyzers 将在绿色氢能产量放大中发挥重要作用，但要实现这一目标，取决于其所用材料的性能。催化剂、膜以及其他所有关键组件共同决定了电堆的效率、耐久性和成本，而改进这些材料始于深入的材料洞察。

从 XRD 和 XRF 到 XAS 和粒子分析，先进的表征技术为研究人员提供了所需的关键洞察：帮助团队理解退化机理、更快验证新材料，并在下一代 PEM 电解开发过程中降低风险。

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