2023年7月5日-7日，由中國汽車工業協會主辦的第13屆中國汽車論壇在上海嘉定舉辦。本屆論壇以“新時代 新使命 新動能——助力建設現代化產業體系”為主題，設置“1場閉門峰會+1個大會論壇+16個主題論壇+N場發布”共18場會議及若干發布、展示、推廣等活動，旨在凝聚各方力量，形成發展共識，為建設現代化產業體系貢獻汽車行業的智慧和力量。其中，在7月7日下午舉辦的“主題論壇十二:探索氫能多元化應用及商業化發展”上，中科院上海硅酸鹽研究所教授崔香枝發表精彩演講。以下內容為現場演講實錄:

各位領導，大家好！非常感謝組委會的邀請，讓我有幸向大家匯報一下我們課題組在氫電轉換關鍵材料方面的一些研究。

我做的跟剛剛各位領導以及各位企業領導所匯報的不太一樣，我主要是聚焦于電解水制氫以及氫燃料電池里核心基礎的催化劑材料。我今天重點講一下電解水制氫的催化劑材料。

介紹前，簡單說一下我們團隊，我們團隊屬于中科院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室的課題組，叫做介孔與低維納米材料組。我們課題組的研究方向聚焦兩個方向:

1、納米催化醫學，是腫瘤治療的新策略。

2、清潔能源的電催化應用，包含電解水制氫、氫燃料電池等相關研究。

氫氣是目前緩解能源危機的一種清潔的能源載體，它可以用于儲能，也可以用于發電，氫和電其實是一家。在氫氣的眾多用途中，氫燃料電池只是其中的一個應用方向。

一、電解水制氫技術背景

緩解能源危機或者達到國家的“雙碳”戰略目標，氫氣非常有潛力。從全球看，氫的用途非常大，2020-2050年呈指數級增長，更說明氫氣的需求量非常之大。對中國來說，不管是從我們國家上層的頂層設計還是下層的解決方案等等，都非常重視氫能的發展，這些具體數字就不再念了，剛才各位領導已經做了詳盡敘述。總體來說，氫氣不管在全球還是中國，市場需求量都非常大。

既然這么大，目前的制氫方式有哪些呢？有傳統的煤制氫、甲醇制氫、電解水制氫，這不是最新的數據統計，但也代表了總體的制氫百分比。相較于傳統的制氫方式，電解水制氫可以用風、光等發電，我們稱之為綠電，來驅動的一種制氫方式，這種電解水制氫是最有可能成為全產業鏈條零排放的制氫方式。

我們也可以從國際氫能聯盟的報道看到，也再次強調電解水制氫，即用風、光發電這種綠電驅動的電解水制氫是唯一能夠實現全產業鏈條零排放的制氫方式。我們國內的電解水制氫需求如圖表所示，剛剛的嘉賓有更新的數字，此處不再重復，充分說明我們國家對電解水制氫的重視和需求。

二、電解水制氫關鍵問題

目前來說，電解水制氫還存在一些問題，首先來看它的成本分析，可以看出電費成本是最高的，占80%以上。如果我們要想推廣電解水制氫技術，首先要降本。如何降本？就要從電解水制氫的原理看起，外加電壓的作用下，水在催化劑的作用下發生分解，即陽極側在催化劑作用下產生氧氣，陰極側也在催化劑作用下發生水的還原，產生氫氣。就目前來說，陰極的析氫和陽極的氧化完全都是用貴金屬催化劑，貴金屬和貴金屬氧化物的價格成本相對比較高。要想降低電解水制氫的成本，就需要研制高效、低成本或非貴金屬的催化劑，這是非常重要的一條。

剛剛一些嘉賓都有講過堿性制氫，堿性制氫目前來說相對比較成熟。堿水電解槽目前的能耗相對來比酸性PEM電解槽的能耗高些，但是技術比較成熟。PEM電解槽的成本比較高，因為它需要用到貴金屬催化劑，但是也有它的優勢，如結構比較緊湊，效率相對來說比較高。目前PEM電解槽國外是初步成規模，我們國內仍處于小試化階段。

另外一種是高溫SOEC制氫方式，要用到幾百度的高溫，每個制氫方式的應用場景不一樣，我今天重點講下堿性制氫和PEM制氫兩種方式的關鍵催化劑材料。

比較兩種制氫方式，針對其中的催化劑材料，堿水制氫需要提升大電流密度下催化劑的催化活性、穩定性。酸性電解水制氫仍然要發展一些成本較低的高效的催化劑。

三、堿性電解水催化劑研究進展

堿性電解水制氫催化劑方面的進展，包含陰極催化劑和陽極水氧化這兩類催化劑。基本分為兩類:

1、粉末型催化劑，用于陰離子膜的催化劑。

2、自支撐類型催化劑，用于目前的多孔膜堿水制氫。即根據堿水制氫中所用隔膜的不同，可以選擇不同類型的催化劑。

對于粉末類催化劑，我們選擇了鎳鐵的層狀金屬氫氧化物，因時間關系不多說材料具體的制備方法。我們在二維納米片上負載鎳鐵的納米片狀材料，以降低水氧化的過電位，過電位是能耗參數之一，在實驗室階段，我們稱之為過電勢。用了鎳鐵LDH非貴金屬催化材料，過電位可明顯降低，平均法拉第效率可達到96%，和所報道的同類催化劑相比，我們的處于比較領先的地位。

對于陰極的析氫也進行了研究，首先我們發展了一種自活化的方法，即首先對磷化鈷的納米片材料進行活化，發現預活化之后磷化鈷的析氫性能明顯提升，在一定的電位下甚至超越了商用的鉑碳催化劑，該催化劑材料的穩定性目前仍在優化中。

由于該催化劑材料必須在某個電位下才能超過鉑碳，所以我們想能不能進行更優的設計。我們想到了用碳化鎢，它具有良好的吸附氫能力，但是吸附太牢也不利于氫氣的產生和析出，所以我們想了一個辦法，就是通過引入鈷來調節氫的吸脫附能力，因為氫的析出過程既有吸附又有脫附，要讓它保持最優的氫吸附和脫附平衡，這樣才有利于氫氣的析出。我們想到了一個方法，把鈷塞到含有鎢的納米籠狀的孔里，這樣就制備出了鈷摻雜到碳化鎢的鈷六鎢六碳的碳化鎢材料。

這個材料如我們所想，其析氫性能可以和鉑碳催化劑相當，并且也初步表現出良好的穩定性，因為實驗室條件限制，穩定性測試時長目前相對較短，但也能夠說明一些問題，這也是我今天過來報告的原因，把我們實驗室所研制的催化劑講出來，希望能夠和一些企業有交叉點，進行一些合作，進一步研究和發展該催化劑。

這是一個產氫視頻，實驗室內部目前只能做到單體，還沒有做到工業上很多個小室的電解槽。

對于鈷六鎢六碳催化劑，我們也進行了模擬工業的氯堿溶液制氫，即模擬不同溫度條件下在氯化鈉和氫氧化鈉混合溶液中的制氫情況。發現這個材料能夠在電流密度達到1A/平方厘米的時候，其過電勢僅有200mV，說明它的電耗相對比較低。

另外，我們也做了自支撐類型的催化劑，重點是做納米陣列型催化劑，比如說磷化鈷鎳的納米陣列，能在電流密度達到1A/平方厘米的時候，過電勢為280mV。當我們把鎢引到磷化鈷中后，所制備材料相比剛才的磷化鈷鎳納米陣列，可以進一步降低析氫過電勢，如達到1A/平方厘米的時候，它的過電勢降低到210mV。

進一步地，所以我們對析氫催化劑的活性位點進行了優化，讓活性位點不停的暴露出來，這樣材料基本上能夠在大電流密度下即集900mA/平方厘米下穩定運行超過1000小時。在實驗室來說，這還算是挺好的數據，我們目前仍在優化和測試中。

四、酸性電解水催化劑

我們重點發展了一些低鉑載量的催化劑，PEM催化劑是粉末類型的，首先研制了低鉑載量的，比如氧化鎢上負載鉑，因為氧化鎢有氫溢流效應，從而促進析氫的進行，降低鉑的用量，該催化劑中鉑的用量是3wt%。雖然我們取得了一定的結果，但是還不盡如人意，因為必須超過一定電位其析氫性能才可以和鉑碳相媲美。所以我們改變了載體，即用表面上豐富官能團的載體，這些個官能團可以抓捕鉑納米顆粒，讓鉑納米顆粒均勻的分散到載體上面。所以我們用了硅氧烯，利用硅氧烯表面上豐富的羥基官能團制備了Pt納米顆粒均勻分散的催化劑，其析氫性能超過20%鉑碳的析氫性能，在過電位為100mA/平方厘米的時候，析氫過電位為130mV，可以和商用催化劑相媲美。并擁有良好的制氫法拉第效率和穩定性。

除了貴金屬鉑，能否用更便宜的？我們想到用釕，因為釕的價格是鉑的近1/10。這時候我們把釕和非化學劑量比的氧化鎢載體復合在一起，因為釕的負載量相對比較少，所以它的質量活性比較高。同時我們也發現雖然其質量活性高，但是因為釕和氧化鎢載體之間的相互作用還未能充分發揮，所以它在器件上的性能還不太滿意。所以我們想到了繼續優化的方法，即在氧化鎢基體中引入了氮，通過氮的電子調控作用來提升該催化劑的性能，這樣制備的材料可以在酸性、中性、堿性環境中都具有好的析氫催化活性。

我們在催化劑的核心膜電極研究方面，掌握CCM的催化劑和膜一體化的制備技術，并實現了工程化尺寸300平方厘米催化劑和膜一體化的成功制備。

五、展望與未來思考

1、對于堿水制氫，我們要優化非貴金屬催化劑的電催化性能，特別是在電解槽中運行的長時間穩定性。

2、酸性電解水要發展非常穩定的低/非貴金屬催化劑，提升制氫的法拉第效率。

3、形成穩定性的批量化催化劑制備技術，這是催化劑研究中最重要的，以實現大面積的工程化電極的制備。

4、提升制氫法拉第效率和制氫純度，降低電解水制氫電耗。

以這些為目標，讓我們的研究工作有更好的發展方向，也希望通過今天的報告，能夠和一些企業有交叉點進行合作。

感謝我們的課題組長施老師，以及我帶的一些學生，也感謝國家自然基金等項目的支持，以及我們的合作單位等等的幫助和支持，謝謝大家！