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| AEM 制氢技术与材料 |
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发布者：zq1229 发布时间：2025/9/2 8:16:14 阅读：25次 【字体：大 中 小】 |
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AEM 制氢技术与材料
一、引言
电解水制氢技术作为获取绿色氢气的关键路径，受到广泛关注。其中，阴离子交换膜（AEM）电解水制氢技术因其兼具高效与低成本的特性，正逐渐成为行业研究和应用的焦点。AEM 制氢技术的发展与关键材料的进步密切相关，本文将深入探讨 AEM 制氢技术的关键材料发展现状及未来趋势。
二、AEM制氢技术的基本原理
AEM制氢技术，即阴离子交换膜电解水制氢技术，是一种基于膜电极（MEA）设计的低温电解水制氢技术。其主要结构由阴离子交换膜和两个过渡金属催化电极组成，一般采用纯水或低浓度碱性溶液作为电解质，并使用具有成本效益的非贵金属催化剂。
在AEM电解槽中，工作原理如下：在1.8 - 2.5V电压的驱动下，水分子从阳极穿过阴离子交换膜进入阴极，在阴极催化剂作用下发生析氢反应（HER），产生氢气；同时，氢氧根离子（OH⁻）通过阴离子交换膜回到阳极，在阳极催化剂作用下发生析氧反应（OER），产生氧气。
三、AEM制氢技术的优势
（一）成本优势AEM制氢技术使用非贵金属催化剂，如镍、铁基催化剂，相比PEM制氢技术中使用的贵金属催化剂（如铂、铱），原材料成本大幅降低。此外，AEM电解槽的结构相对简单，制造成本也较低。
（二）性能优势AEM制氢技术兼具了碱性电解水的低成本和质子交换膜电解水的高性能。它能实现快速响应与高电流密度，具备类似于PEM膜电极的结构，在高压制氢环境下能有效隔离氢气与氧气，保证制氢安全性。！（三）环境友好AEM制氢技术的催化剂制备采用环保绿色的方法，不使用高温高压、强酸强碱以及有机溶剂，制备速度快且可放大。
四、AEM制氢技术的发展现状
（一）技术突破近年来，AEM制氢技术在催化剂和膜材料方面取得了显著进展。例如，稳石氢能开发了一种基于镍钴铁的层状双金属氢氧化物（LDH）催化剂，通过掺杂其他金属元素和对碳纳米管、石墨烯进行改性，显著提升了催化剂的活性和稳定性。此外，一些研究团队通过共电沉积技术、电沉积技术等方法，制备了高性能的析氧电极和析氢电极。
（二）商业化进展2024年9月，稳石氢能中标兆瓦级AEM应用示范项目，标志着AEM兆瓦级技术已开始商用探索。2025年，全球范围内可能出现更多兆瓦级AEM制氢示范项目，欧洲、中国和北美等地区有望率先落地。此外，亿纬氢能于2025年3月发布了全球首台100kW AEM制氢电解槽，德林海于4月发布了全球首创1Nm³h 22MPa AEM电解槽，这些进展表明AEM制氢技术正在逐步走向商业化。
五、AEM制氢技术面临的挑战
（一）膜材料稳定性目前，AEM膜的化学和机械稳定性仍存在问题，影响其性能表现。提高膜的稳定性和耐久性是AEM制氢技术面临的主要挑战之一。
（二）成本竞争力尽管AEM制氢技术在原材料成本方面具有优势，但与成熟的碱性电解水技术相比，其整体成本仍较高。降低成本，提高市场竞争力，是AEM制氢技术未来发展的关键。
（三）规模化应用AEM制氢技术的大规模商业化应用仍面临诸多挑战，包括技术的进一步成熟、成本的降低以及市场的接受度等。
六、AEM制氢技术的未来发展趋势
（一）技术创新未来，AEM制氢技术的发展将聚焦于探索和优化非贵金属催化剂，开发新型纳米结构、多相催化剂和界面工程等，以提高催化活性与稳定性。同时，研究人员将致力于开发具有高导电率、离子选择性和长期碱性稳定性的AEM。
（二）成本降低随着技术的成熟和规模化生产的实现，AEM制氢设备的成本有望进一步降低。一旦成本接近碱性电解水水平，AEM制氢技术将在市场上更具竞争力。
七、AEM 制氢技术的关键材料
（一）阴离子交换膜
阴离子交换膜是 AEM 制氢系统的核心部件，其性能直接影响电解槽的效率和寿命。目前，AEM 的研究主要集中在材料体系革新、电堆设计优化和系统智能化三个方面。例如，西湖大学孙立成院士团队通过创新设计，开发出新型高稳定阴离子交换膜材料，有效解决了传统材料在高温强碱环境下的稳定性问题。这种材料通过将哌啶阳离子以“悬垂结构”连接至聚合物主链外，抑制了霍夫曼消除反应，从而显著提高了膜的稳定性和使用寿命。
（二）催化剂
催化剂在 AEM 电解水制氢技术中起着至关重要的作用，其性能直接影响电解效率和成本。目前，AEM 制氢技术广泛采用非贵金属催化剂，如镍、铁基材料，这些材料在碱性环境中的稳定性较好，且成本较低。例如，稳石氢能开发了一种基于镍钴铁的层状双金属氢氧化物（LDH）催化剂，通过掺杂其他金属元素和对碳纳米管、石墨烯进行改性，显著提升了催化剂的活性和稳定性。此外，南通禾帆氢能采用资源丰富的过渡金属完全替代贵金属，开发出自支撑催化电极片，显著提高了催化剂的利用率，降低了生产成本。
八、关键材料的发展现状
（一）阴离子交换膜
近年来，AEM 膜材料在性能和稳定性方面取得了显著进展。例如，国内厂商已开发出氟型增强膜，结合陶瓷纳米纤维提升机械强度。此外，自修复膜材料成为研发热点，通过微胶囊技术或动态共价键实现膜结构损伤的原位修复，延长使用寿命至 8 万小时以上。这些技术进步为 AEM 制氢技术的商业化应用奠定了坚实基础。
（二）催化剂
在催化剂方面，研究人员不断探索新的材料和制备方法，以提高催化剂的活性和稳定性。例如，采用微波水热电沉积工艺原位生长催化剂，开发出有序化、高导电、多活性点位的低成本 OER 催化剂。此外，反应釜水热反应工艺也被用于制备高性能的 LDH 催化剂。这些技术的发展不仅提高了催化剂的性能，还降低了其成本，为 AEM 制氢技术的大规模应用提供了可能。
九、关键材料面临的挑战
（一）阴离子交换膜
尽管 AEM 膜材料在性能和稳定性方面取得了显著进展，但仍面临一些挑战。例如，膜材料的化学稳定性仍需进一步提高，以满足长期运行的要求。此外，膜材料的离子传导率和机械强度也需要进一步优化，以提高电解槽的效率和寿命。
（二）催化剂
对于催化剂而言，活性与稳定性的平衡是一个关键挑战。在保持高活性的同时，实现数千甚至上万小时的长期稳定运行，是催化剂研发的重要方向。此外，如何将催化剂与 AEM 膜、气体扩散层等高效集成，构建高性能、长寿命的膜电极组件，也是当前面临的重要问题。
十、关键材料的未来发展趋势
（一）阴离子交换膜
未来，AEM 膜材料的发展将聚焦于进一步提高其离子传导率、化学稳定性和机械强度。研究人员将不断探索新的聚合物材料和合成方法，以开发出更高性能的膜材料。此外，自修复膜材料和有机 - 无机复合膜将成为未来研究的重点方向。通过这些技术的进步，AEM 膜材料的性能将得到显著提升，从而推动 AEM 制氢技术的大规模应用。
（二）催化剂
在催化剂方面，未来的发展将集中在开发更高效的非贵金属催化剂，以进一步降低成本并提高电解效率。研究人员将探索新的材料体系和制备方法，以提高催化剂的活性和稳定性。例如，开发基于过渡金属的单原子催化剂和纳米结构催化剂，将为 AEM 制氢技术的发展提供新的动力。此外，膜电极一体化（MEA）的优化也将是未来研究的重要方向，通过将催化剂与 AEM 膜、气体扩散层等高效集成，构建高性能、长寿命的膜电极组件。
结论
AEM 制氢技术因其兼具高效与低成本的特性，正逐渐成为氢能领域的研究和应用热点。阴离子交换膜和催化剂作为 AEM 制氢技术的关键材料，其发展对技术的进步至关重要。近年来，AEM 制氢技术在关键材料方面取得了显著进展，但仍面临一些挑战。未来，随着材料科学和电化学技术的不断进步，AEM 制氢技术的关键材料性能将得到进一步提升，从而推动该技术的大规模商业化应用，为实现全球碳中和目标提供有力支持。
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