氢能作为清洁能源的重要载体，是实现“双碳”目标的关键技术之一。然而，传统质子交换膜（PEM）电解水制氢技术对水质要求极高，必须依赖超纯水运行，导致设备维护成本高昂、系统寿命受限。近日，天津大学凌涛教授团队联合美国新墨西哥大学、中山大学和福建物构所研究团队在国际顶级期刊《自然·能源》（Nature Energy）发表最新研究成果，通过创新性设计反应微环境调控策略，首次实现了PEM电解槽在自来水中的长期稳定运行，为绿氢制备技术的低成本化与规模化应用提供了全新解决方案。
水质敏感制约PEM电解槽发展
PEM电解槽因其高效、快速响应等优势，被视为可再生能源制氢的核心装备。然而，PEM电解槽对水质极为敏感，水中微量金属阳离子（如钙、镁、铁等）会占据质子传输通道，导致阴极贵金属铂碳催化剂失活、性能急剧衰减。传统解决方案依赖昂贵的超纯水（电阻率≥18 MΩ·cm）和复杂净化系统，且长期运行仍面临离子积累问题，需频繁酸洗甚至更换膜电极，运维成本居高不下。
这一问题严重限制了PEM电解槽在偏远地区或淡水资源匮乏场景的应用。论文通讯作者凌涛教授指出，若能直接使用自来水或低纯度水源，将大幅降低制氢系统的部署门槛和运营成本。
反应微环境动态调控
研究团队联合扫描电化学显微镜和超微电极，首次揭示了PEM电解槽中金属阳离子的迁移规律及其影响机制。实验证实，在电场作用下，供水中的金属阳离子会从阳极向阴极定向迁移，导致阴极催化剂层局部pH值异常升高至碱性范围。这一现象会带来双重危害：一方面显著抑制析氢反应动力学，使制氢效率大幅降低；另一方面引发金属阳离子在催化剂表面的沉积，造成贵金属铂失活。
图1.铂碳催化剂表面反应微环境中富集质子的示意图
针对这一关键科学问题，研究团队提出了革命性的解决方案：在催化剂表构建酸性的反应微环境（如图1）。该创新设计实现了质子持续释放，使贵金属催化剂始终处于“理想”的酸性反应环境，为电解槽在非纯水条件下的稳定运行提供了全新思路。
自来水制氢媲美超纯水体系 经济与生态效益双赢
实验数据显示，新型电解槽在含多种阳离子的自来水条件下，性能与超纯水体系相当：在工业级电流密度（1.0 A cm‾2）下稳定运行超过3000小时，能耗与超纯水电解槽几乎持平。团队（图2）进一步研制出电解堆，验证了技术的可扩展性。
图2.天津大学凌涛教授团队合影
这一成果打破了PEM电解槽必须使用超纯水的传统认知，第一作者王如广博士表示，微环境调控策略不仅省去了纯水制备环节，还显著降低了系统维护需求。
经济学分析表明该新型电解槽可兼容纯水和非纯水两种运行模式，使绿氢生产的标准化成本降低0.3%-8%，尤其适用于分布式制氢场景。若推广至年产万吨级绿氢项目，仅省去的纯水系统建设费用即可节约上千万元。此外，直接利用自来水或再生水可大幅减少水资源消耗，提升氢能产业链的可持续性。
团队前期还利用Lewis酸性氧化物调控催化剂反应微环境，实现直接海水电解制氢（Nature Energy, 2023, 8, 264），受到国际学术和产业界的高度关注。目前，团队正与产业界合作推进技术产业化，有望加速我国绿氢规模化应用，助力能源结构转型与碳中和目标实现。（天津大学凌涛教授团队供图）
