PEM电催化剂研究

膜电极中析氢、析氧电催化剂对整个水电解制氢反应十分重要。理想电催化剂应具有抗腐蚀性、良好的比表面积、气孔率、催化活性、电子导电性、电化学稳定性以及成本低廉、环境友好等特征。阴极析氢电催化剂处于强酸性工作环境，易发生腐蚀、团聚、流失等问题，为保证电解槽性能和寿命，析氢催化剂材料选择耐腐蚀的Pt、Pd贵金属及其合金为主。

现有商业化析氢催化剂Pt载量为0.4~0.6 mg/cm2，贵金属材料成本高，阻碍PEM水电解制氢技术快速推广应用。为此降低贵金属Pt、Pd载量，开发适应酸性环境的非贵金属析氢催化剂成为研究热点。Cheng等采用碳缺陷驱动自发沉积新方法，构建由缺陷石墨烯负载高分散、超小（<1 nm）且稳定的Pt-AC析氢电催化剂，研究表明，阴极电催化剂的Pt载量有效降低，并且催化剂的质量比活性、Pt原子利用效率和稳定性得到显著提高。另外过渡金属与Pt存在协同效应，将Pt与过渡金属进行复合，如Pt-WC、Pt-Pd、CdS-Pt、Pt/Ni foams等，研究表明复合材料可提高析氢催化剂性能。

相比阴极，阳极极化更突出，是影响PEM水电解制氢效率的重要因素。苛刻的强氧化性环境使得阳极析氧电催化剂只能选用抗氧化、耐腐蚀的Ir、Ru等少数贵金属或其氧化物作为催化剂材料，其中RuO2和IrO2对析氧反应催化活性最好。相比RuO2，IrO2催化活性稍弱，但稳定性更好，且价格比Pt便宜，成为析氧催化剂的主要材料，通常电解槽Ir用量高于2 mg/cm2。

与析氢催化剂相似，开发在酸性、高析氧电位下耐腐蚀、高催化活性非贵金属材料，降低贵金属载量是研究重点。复合氧化物催化剂、合金类催化剂和载体支撑型催化剂是析氧催化剂的研究热点。基于RuO2掺入Ir、Ta、Mo、Ce、Mn、Co等[19]元素形成二元及多元复合氧化物催化剂，可提高催化剂活性和稳定性。PtIr和PtRu合金是应用较多的合金类析氧电催化剂，但高析氧电位和富氧环境使得合金类催化剂易被腐蚀溶解而失活。使用载体可减少贵金属用量，增加催化剂活性比表面积，提高催化剂机械强度和化学稳定性，已被研究载体材料主要是稳定性良好的过渡金属氧化物，如TiO2、Ta2O5等材料，以及改性的过渡金属氧化物，如Nb掺杂的TiO2、Sb掺杂的SnO2等，也成为研究应用的重点。

来源：现代化工
作者：纪钦洪,徐庆虎,于航,于广欣,刘强,肖钢
原标题：《质子交换膜水电解制氢技术现状与展望》

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