氫能作為清潔能源的重要載體，是實現“雙碳”目標的關鍵技術之一。然而，傳統質子交換膜（PEM）電解水制氫技術對水質要求極高，必須依賴超純水運行，導致設備維護成本高昂、系統壽命受限。近日，天津大學凌濤教授團隊聯合美國新墨西哥大學、中山大學和福建物構所研究團隊在國際頂級期刊《自然·能源》（Nature Energy）發表最新研究成果，通過創新性設計反應微環境調控策略，首次實現了PEM電解槽在自來水中的長期穩定運行，為綠氫制備技術的低成本化與規?；瘧锰峁┝巳陆鉀Q方案。
水質敏感制約PEM電解槽發展
PEM電解槽因其高效、快速響應等優勢，被視為可再生能源制氫的核心裝備。然而，PEM電解槽對水質極為敏感，水中微量金屬陽離子（如鈣、鎂、鐵等）會占據質子傳輸通道，導致陰極貴金屬鉑碳催化劑失活、性能急劇衰減。傳統解決方案依賴昂貴的超純水（電阻率≥18 MΩ·cm）和復雜凈化系統，且長期運行仍面臨離子積累問題，需頻繁酸洗甚至更換膜電極，運維成本居高不下。
這一問題嚴重限制了PEM電解槽在偏遠地區或淡水資源匱乏場景的應用。論文通訊作者凌濤教授指出，若能直接使用自來水或低純度水源，將大幅降低制氫系統的部署門檻和運營成本。
反應微環境動態調控
研究團隊聯合掃描電化學顯微鏡和超微電極，首次揭示了PEM電解槽中金屬陽離子的遷移規律及其影響機制。實驗證實，在電場作用下，供水中的金屬陽離子會從陽極向陰極定向遷移，導致陰極催化劑層局部pH值異常升高至堿性范圍。這一現象會帶來雙重危害：一方面顯著抑制析氫反應動力學，使制氫效率大幅降低；另一方面引發金屬陽離子在催化劑表面的沉積，造成貴金屬鉑失活。
圖1.鉑碳催化劑表面反應微環境中富集質子的示意圖
針對這一關鍵科學問題，研究團隊提出了革命性的解決方案：在催化劑表構建酸性的反應微環境（如圖1）。該創新設計實現了質子持續釋放，使貴金屬催化劑始終處于“理想”的酸性反應環境，為電解槽在非純水條件下的穩定運行提供了全新思路。
自來水制氫媲美超純水體系 經濟與生態效益雙贏
實驗數據顯示，新型電解槽在含多種陽離子的自來水條件下，性能與超純水體系相當：在工業級電流密度（1.0 A cm￣2）下穩定運行超過3000小時，能耗與超純水電解槽幾乎持平。團隊（圖2）進一步研制出電解堆，驗證了技術的可擴展性。
圖2.天津大學凌濤教授團隊合影
這一成果打破了PEM電解槽必須使用超純水的傳統認知，第一作者王如廣博士表示，微環境調控策略不僅省去了純水制備環節，還顯著降低了系統維護需求。
經濟學分析表明該新型電解槽可兼容純水和非純水兩種運行模式，使綠氫生產的標準化成本降低0.3%-8%，尤其適用于分布式制氫場景。若推廣至年產萬噸級綠氫項目，僅省去的純水系統建設費用即可節約上千萬元。此外，直接利用自來水或再生水可大幅減少水資源消耗，提升氫能產業鏈的可持續性。
團隊前期還利用Lewis酸性氧化物調控催化劑反應微環境，實現直接海水電解制氫（Nature Energy, 2023, 8, 264），受到國際學術和產業界的高度關注。目前，團隊正與產業界合作推進技術產業化，有望加速我國綠氫規?；瘧?，助力能源結構轉型與碳中和目標實現。（天津大學凌濤教授團隊供圖）
