初期劣化拉低制氢装置性能…UNIST：“元凶是铂团聚”

Published 31 Jul.2025 08:38(KST)

Updated 31 Jul.2025 11:30(KST)

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用定量分析法揭示阴离子交换膜水电解装置初期劣化原因

去除引发团聚的水后性能衰减减小，论文发表于 ACS Energy Lett.

从水中提取氢气的“阴离子交换膜水电解（AEMWE）”装置，其初期性能下降的原因被证实是由于阴极侧铂（Pt）催化剂颗粒发生团聚所致。

应用可抑制团聚的“干式运行方式”后，性能下降率较以往降低到约一半水平。由此可以确保装置的长期可靠性，加快绿色氢气生产技术的商业化进程。

蔚山科学技术院（UNIST）能源化学工程系权英国（Kwon Youngguk）教授团队发现，水电解装置的初期性能劣化现象主要发生在阴极，而非此前预想的其他部位，并证实在阴极不直接供给液体电解质的“干式运行条件（dry cathode operation）”对预防这一问题非常有效。

研究团队。（自左起）Kwon Youngguk 教授、Gong Taehun 研究员（第一作者）。UNIST 提供

水电解是利用电能将水分解为氢气和氧气的技术。其中，阴离子交换膜水电解装置具有耐腐蚀性强、可实现轻量化等优点。但在装置运行初期数小时内，电压会快速升高，导致生产效率急剧下降的“初期劣化”问题一直被持续提出。

电压越高，生产同等量氢气所需的能量就越多，因此电压升高与效率下降直接相关。

研究团队指出，“初期劣化”现象中超过90%源自产生氢气的阴极。由于铂催化剂颗粒发生团聚，其反应性下降，从而引发性能劣化。分析结果显示，阴极中的水分是导致铂催化剂颗粒团聚的主要原因。

研究团队并非采用传统的双电极测试方式，而是利用自主开发的三电极分析方法得出了上述结论。双电极方式只测量整体电池电压，因此难以准确区分性能下降发生在哪个电极，一般被认为是阳极的问题。

当在阴极应用干式运行条件后，初始40小时内的累计电压升高量从约163毫伏降至96毫伏。两者相差接近2倍，同一时间内电压升高更少，意味着氢气生产效率得以更长时间维持。

第一作者研究员孔泰勋（Gong Taehun）表示：“阳极已较为确立湿式运行条件，但在阴极则一直混用湿式和干式运行方式。本次研究通过实验证明，在湿式运行时，水分会滞留氢气并诱导铂颗粒团聚，从而导致初期劣化，在此基础上提出了新的运行标准。”

通过干式驱动方式抑制氢气生产装置阴极的初期劣化。

权英国教授表示：“阴离子交换膜水电解是环保氢气生产技术的有力候选，但由于运行初期存在性能急剧下降的问题，商业化一直受限。本研究表明，仅通过简单的运行条件调节就能提高水电解装置的长期稳定性，为水电解商业化提供了重要线索。”

权教授还补充称：“这一新分析方法也可用于电极材料开发、电池耐久性评估以及电极结构优化设计。”

本研究于2025年7月3日在线发表在能源与环境科学领域的国际权威期刊《ACS Energy Letters》上。

本研究由科学技术信息通信部和韩国研究财团的中坚课题及STEAM研究项目资助完成。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。