"阳极交换膜"有望带来制造过程不使用贵金属的绿色氢气

绿色氢气将在实现零排放的竞赛中发挥重要作用，它提供的高能量密度使其在一些难以实现碳化的活动中成为一种有吸引力的选择。

通常情况下，电解器使用质子交换膜（PEMs），其中电解质材料中的阳极和阴极被一层膜隔开，以允许带正电的氢离子通过，因为它们被阴极所吸引。在这里，它们与电子结合形成氢气，氢气被收集，而氧气在阳极被释放。成本问题来自于材料：PEMs所要求的酸性环境通常需要昂贵的金属，如电极中的铂、钌或铱，以及分离器板中的钛。

正在研究的一种替代电解技术是阴离子交换膜（AEMs），其中分离膜允许带负电荷的OH-离子通过。这些离子被吸引到阳极，在那里它们结合成氧气和水分子，而氢原子则被吸引到阴极，以H2气体的形式被收集。

AEMs可以在碱性条件下运行，因此它们不需要贵金属--所涉及的材料因此要便宜3000倍左右。作为一项相对年轻的技术，AEMs在氢气电解方面还没有找到商业上的成功，因为它们的性能没有那么好，也没有那么持久。

现在，来自韩国科学和技术研究所（KIST）的一个团队说，他们已经测试了一种新的膜和电极组件，其性能比之前的AEM高出6倍，并且至少比它们的寿命长10倍。更重要的是，它甚至比目前的PEM技术有20%的性能优势。

"研究小组通过增加结构内的比表面积，开发了基于聚（芴-共-芳基哌啶）（PFAP）的阴离子交换材料（电解质膜和电极粘合剂），在碱性条件下具有高离子传导性和耐用性，基于这项技术，开发了一种膜电极组件，"一份新闻稿中写道。"所开发的材料代表了超过1000小时运行的优秀耐久性，并实现了7.68A/cm2的新电池性能记录。这大约是现有阴离子交换材料性能的六倍，大约是昂贵的商业PEMWE技术（6 A/cm2）的1.2倍。"

那么，这项技术究竟能在多大程度上降低绿色氢气的价格？很难找到确切的答案；绿色能源的价格在不同地区会有很大的波动，而且有许多不同的PEM技术，其价格也不尽相同。

但国际可再生能源机构（IRENA）试图在其2020年的绿色氢气成本削减报告中对现状尝试进行平均计算。该报告说，在兆瓦级规模上，"对于堆栈的核心，即催化剂涂层膜，稀有金属代表了成本的一个重要部分。然而，从背景来看，它们只占整个PEM电解系统成本的不到10%"。

IRENA对质子交换膜电解器的成本细分似乎表明，稀有金属并不是一个巨大的成本点

因此，IRENA认为金属本身并不是一个非常有前途的成本削减目标，尽管该报告确实补充说，"尤其是铱，在铱的供应没有显著增加的情况下，它们可能代表了扩大质子交换膜电解器制造的瓶颈。"

更重要的是，该报告指出，PEM电解器的使用寿命通常在5万小时左右--或5.7年。因此，尽管KIST团队似乎已经取得了相对于现有AEM电解器的百小时寿命的巨大进步，但它还没有证明与今天的PEM相比具有同等或更高的耐久性。而且，即使这种材料有能力，也需要在试验台上再花五年左右的时间来证明它。这是一个艰难的障碍。

尽管如此，这种新的膜材料在这期间可能会找到其他用途。汉阳大学的Young Moo Lee教授说："所开发的材料，不仅作为核心材料应用于水电解，而且还应用于氢燃料电池、碳捕获利用和直接氨燃料电池，这些都是下一代的氢气产业，具有很大的潜力。"

该研究发表在《能源与环境科学》杂志上。

关键词： 科学探索 "阳极交换膜"有望带来制造过程不使用贵金属的绿