质子交换膜（PEM）电解槽对水质高度敏感，进水中的微量污染物（尤其是阳离子杂质）会导致其性能衰减，显著增加维护成本并缩短系统寿命。针对这一挑战，天津大学的凌涛教授团队创新性地提出微环境pH动态调控策略，通过在膜电极构建酸性反应微环境，首次实现了PEM电解槽在自来水中的长期稳定运行（1.0 A cm⁻²下>3000小时）。该技术不仅省去了昂贵的纯水制备系统，降低了能耗，其性能更与超纯水体系相当，为发展低成本、高适应性的绿氢制备系统提供了新方案。相关成果“Cathode catalyst layers modified with Brønsted acid oxides to improve proton exchange membrane electrolysers for impure water splitting”发表在2025年6月9日Nature Energy期刊上。论文通讯作者是凌涛；第一作者是王如广、杨雨廷、郭佳欣，合作者为中山大学曹发和教授和中国科学院福建物构所韩丽丽教授。

利用可持续能源制氢为解决储能问题和实现碳中和目标提供了有效途径。在主流膜基电解槽中，PEM电解槽因其快速启停响应特性，可与间歇性可再生能源高效耦合，同时具备制备高压高纯氢气、转化效率高等优势，被视为最具发展前景的绿色制氢技术。然而，现有PEM电解槽必须依赖高纯水(18 MΩ·cm)运行，水质不纯将导致系统失效：一方面，金属阳离子会占据膜和催化层中的H⁺传输位点，减少阴极反应所需的质子；另一方面，金属阳离子沉积或沉淀会导致阴极Pt催化剂失活。值得注意的是，即便使用高纯水，长期运行仍会造成金属阳离子积累，需持续通过净化设施维持水质。当设备故障或管道污染导致水质恶化时，往往需要拆解堆栈并对贵金属膜电极进行酸洗处理，严重时甚至需更换整个堆栈，这大幅增加了系统运维成本。因此，开发耐低纯度水的PEM电解槽对提升系统稳定性具有重要意义。

作者通过将pH超微电极与高空间分辨率扫描电化学显微镜联用，首次实现了对含金属阳离子杂质供给水中阴极Pt/C催化层局部pH值的定量监测（图1）。研究揭示了阳离子杂质的跨膜输运机制及其对阴极的影响：阳离子杂质会迁移至阴极，导致Pt/C催化层局部pH值升高，从而严重抑制析氢反应动力学。

图1：金属阳离子对PEM电解槽性能的影响。图片来源：Nat Energy

基于团队前期研究发现，Lewis酸性氧化物的引入能够在催化剂中构建局部碱性环境（Nature Energy, 2023, 8, 264）。受此启发，作者创新性地提出：在PEM电解槽使用含杂质水时，可通过构建局部酸性微环境来抑制阴极pH值升高。作者系统筛选了多种Brønsted酸性氧化物（MoO_3-x、WO_3-x和V₂O_5-x等），发现MoO_3-x具有最强的Brønsted酸性。原位拉曼光谱研究表明（图2），在阴极电势作用下，MoO_3-x表面发生显著的水解质子化反应，生成的质子化MoO_3-x可作为高效固体酸，持续向双电层释放H⁺。

图2：利用Brønsted酸性氧化物来生成局部酸性。图片来源：Nat Energy

基于上述发现，作者在Pt/C催化剂的碳载体上引入MoO_3-x（MoO_3-x@Pt/C），组装了MoO_3-x@Pt/C||IrO₂电解槽。实验结果表明，该电解槽的阴极局部pH值稳定维持在2.5-3.5范围内（图3）。得益于这一特性，MoO_3-x@Pt/C||IrO₂ PEM电解槽在含金属阳离子的水质条件下，不仅保持了与纯水体系相近的性能表现，还展现出优异的长期稳定性。

图3：反应微环境调控的PEM电解槽。图片来源：Nat Energy

作者进一步测试了MoO_3-x@Pt/C||IrO₂电解槽在自来水条件下的性能表现。测试结果显示，该电解槽性能接近传统PEM电解槽在纯水中的性能（图4）。在工业级1.0 A cm⁻²电流密度下，MoO_3-x@Pt/C||IrO₂电解槽可稳定运行超过3000小时。作者还成功开发了活性面积达250 cm²的电解堆（由10个25 cm²单电池串联组成），其制氢能耗仅为4.13 kWh Nm^-3 H₂，与高纯水环境下的PEM电解槽能耗（4.1 kWh Nm^-3 H₂）相当。经济学分析表明，这种微环境pH调节型PEM电解系统可在不同运行条件下将氢气平准化成本降低0.3%-8%，充分展现了其经济可行性和显著的降本潜力。

图4：反应微环境调控的PEM电解槽在自来水中的性能和经济学分析。图片来源：Nat Energy

（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-025-01787-9