吸附氧化機(jī)理(AEM)和晶格氧反應(yīng)機(jī)理(LOM)是在酸性介質(zhì)中被認(rèn)為較合理的兩種機(jī)理。催化劑通過哪一機(jī)理發(fā)生催化反應(yīng)，選擇單位點還是雙位點途徑和材料本身的電子結(jié)構(gòu)有著密切關(guān)系，結(jié)晶度好的氧化物幾乎沒有缺陷，傾向于采用AEM，在單個活性金屬位點上通過*OOH中間體，即所謂的酸堿途徑，或者在兩個相鄰的金屬位點上，氫健康通過*O中間體，即O-O直接耦合途徑.而在具有豐富氧空位的無定形金屬氧化物和一些具有高金屬氧共價的鈣鈦礦中，晶格氧機(jī)理發(fā)生在遭受水親核攻擊的單個活性氧位點或通過兩個相鄰反應(yīng)晶格氧原子的直接耦合，產(chǎn)生的氧空位將被水分子或大量氧原子補(bǔ)充，同時由此產(chǎn)生的不飽和金屬位點更容易溶解，帶來催化劑穩(wěn)定性問題。在PEM水電解技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用后，陽極催化劑的成本占比會逐漸提升。哪里可知大連化物所如何規(guī)劃質(zhì)子交換膜電堆
綜合活性和穩(wěn)定性等因素，目前工業(yè)上選用的PEM電解槽陽極催化劑以銥黑以及ＩｒＯ2等為主。不同催化材料的陽極過電勢通常為200～500ｍＶ。在高電位、氧化、酸性環(huán)境下，PEM電解槽對陽極催化劑材料的要求極為苛刻，氫健康能滿足該要求的催化材料但限于某些貴金屬。通常，活性越高的金屬，其在水電解過程中越容易溶解，穩(wěn)定性越差。例如：從金屬活性角度來講，氫健康金屬活性由高到低的順序為Ｏｓ＞Ｒｕ＞Ｉｒ＞Ｐｔ＞Ａｕ；但從金屬穩(wěn)定性角度來講，其穩(wěn)定性由高到低的順序為Ａｕ＞Ｐｔ＞Ｉｒ＞Ｒｕ＞Ｏｓ?？煞裰郎钲诰G航用的質(zhì)子交換膜陰離子交換膜水電解、堿性水電解以及高溫固體氧化物水電解等4種水電解制氫技術(shù)的性能對比。
氫能在能源供給側(cè)和消費終端轉(zhuǎn)型發(fā)展中可以發(fā)揮重要作用。在能源供給側(cè)，氫能可以消納可再生能源電力，實現(xiàn)能量在時間上的存儲和空間上的轉(zhuǎn)移。相對于其他儲能方式，氫能具備規(guī)模優(yōu)勢；在能源消費終端，氫健康氫能可以實現(xiàn)零排放、零污染，減少碳排放。2020年9月，在第七十五屆大會一般性辯論上，中國提出力爭20３0年實現(xiàn)碳達(dá)峰、20６0年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。在實現(xiàn)目標(biāo)的過程中，氫能的應(yīng)用除了可以減少碳排放、助力碳達(dá)峰，還可以通過氫與二氧化碳反應(yīng)制成有機(jī)化學(xué)品，實現(xiàn)碳中和。
PEM水電解制氫已步入商業(yè)化早期，制約技術(shù)大規(guī)模發(fā)展的瓶頸在于膜電極選用被少數(shù)廠家壟斷的質(zhì)子交換膜，陰、陽極催化劑材料需采用貴金屬以及電解能耗仍然偏高。解決上述難題是PEM水電解制氫技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展與推廣的關(guān)鍵。為此發(fā)展新型水電解技術(shù)成為新趨勢，基于融合堿性水電解和PEM水電解各自優(yōu)勢的研究思路，采用堿性固體電解質(zhì)替代PEM的堿性固體陰離子交換膜（AEM）水電解制氫技術(shù)成為新方向。另外選用聚芳醚酮和聚砜等廉價材料制備無氟質(zhì)子交換膜，也是質(zhì)子交換膜的發(fā)展趨勢。根據(jù)電解槽隔膜材料的不同，通常將水電解制氫分為堿性水電解、質(zhì)子交換膜電解水電解水。
質(zhì)子交換膜可普遍應(yīng)用于燃料電池、電解水、氯堿工業(yè)等領(lǐng)域。PEM燃料電池及電解水發(fā)展迅速，國內(nèi)外市場都呈現(xiàn)出較快的需求增長和廣闊的發(fā)展前景。從2011年到2019年，PEM燃料電池出貨量占比從44.9%進(jìn)一步提升至82.7%，氫健康可見，全球PEM燃料電池出貨量高速增長。依據(jù)中國氫能聯(lián)盟對未來燃料電池系統(tǒng)成本的預(yù)測以及美國能源部披露的成本結(jié)構(gòu)，綜合測算，燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域每年為質(zhì)子交換膜帶來的市場增量將持續(xù)增長，到2025年、2035年和2050年將分別為9.80億、49.01億和67.39億，非?？捎^。PEM水電解槽采用PEM傳導(dǎo)質(zhì)子，隔絕電極兩側(cè)的氣體，避免AWE使用強(qiáng)堿性液體電解質(zhì)所伴生的缺點。哪里可知大連化物所如何規(guī)劃質(zhì)子交換膜電堆
質(zhì)子交換膜上游主要包括基礎(chǔ)材料和過程材料兩個部分。哪里可知大連化物所如何規(guī)劃質(zhì)子交換膜電堆
在市場化進(jìn)程方面，堿水電解（AWE）作為較為成熟的電解技術(shù)占據(jù)著主導(dǎo)地位，尤其是一些大型項目的應(yīng)用。AWE采用氫氧化鉀（KOH）水溶液為電解質(zhì)，以石棉為隔膜，分離水產(chǎn)生氫氣和氧氣，效率通常在70%~80%。氫健康一方面，AWE在堿性條件下可使用非貴金屬電催化劑（如Ni、CO、Mn等），因而電解槽中的催化劑造價較低，但產(chǎn)氣中含堿液、水蒸氣等，需經(jīng)輔助設(shè)備除去；另一方面，AWE難以快速啟動或變載、無法快速調(diào)節(jié)制氫的速度，因而與可再生能源發(fā)電的適配性較差。哪里可知大連化物所如何規(guī)劃質(zhì)子交換膜電堆
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