pcr技术简介（精读一篇Nat.Mater电解水工业化应用路在何方）
pcr技术简介（精读一篇Nat.Mater电解水工业化应用路在何方）1. 首先是工作参数的不同：在工业中常用的膜电极组（Membrane electrode assembly）中施加的电流密度一般在百mA cm﹘2量级，催化剂负载量高达1-2 mg cm﹘2。质子交换膜水电解槽（PEMWEs）的电流密度一般大于1.6 A cm﹘2而碱性水电解槽（AWES）在约0.5 A cm﹘2。这些指标都高于实验室常见的测试参数（10 mA cm﹘2量级的电流密度和0.1~0.3 mg cm﹘2的典型的催化剂负载）。更为重要的是实验室研究的测试环境和指标和工业生产中的实际情况有着较大的出入。电解水的工业开发和部署面临的困境和LIB的成功案例形成了鲜明的对比。作者认为，这种差异部分源自于与封闭式电化学系统相比，扩大和改善开放式电化学系统的性能存在固有困难。（This difference originates inpart from the inherent diff
1、引言使用可再生能源供电来进行低温电解水产氢已有数十年的研究历史，但同比于电池研究其工业化进展相对缓慢。很关键的一点是，实验室规模下电解水催化剂的设计和催化机理的研究并不能有效改进电解水工业设施的性能或提高其普及程度。近日，法兰西学院的Marie Francine Lagadec和Alexis Grimaud在Nature Materials上发表了题为Water electrolysers with closed and open electrochemicalsystems 的前瞻评论。该论文主要讨论了阻碍水电解装置规模化和大规模部署的实际挑战，重点介绍了设备架构和设计的作用，以及如何将工程概念整合到基础研究中，以加快材料科学与工程之间的协同进步。
DOI: 10.1038/s41563-020-0788-3
从上世纪末开始，能源材料尤其是电化学相关的能源材料逐渐被人们所重视。其中最具代表性的两个研究方向为：锂离子电池（LIB）和电解水（WE）。这两个方向共同经历了几十年的发展，但其工业化进程却大相径庭。自1991年商业化以来，锂离子电池的科学研究和工业进步共同促进着行业的发展。其性能提高了350％，并且在十年内包装成本大幅降低了80％，到2020年降至每千瓦时200美元以下。反观电解水制氢行业，目前年产氢气超过110吨，但其中95%来自于化石燃料的重整，仅有4%是通过电解水生产的。纵使其研究早于LIB几十年，其市场渗透率一直没有明显的提升，其本质的原因就是工业生产价格没有随着科学研究的进展而有效的降低。目前采用化石燃料重整制氢每公斤成本在$1.3-1.5，而采用绿色能源电解水制氢的成本一直在$4每公斤以上，这使其在绝大多数工业生产情形中失去了竞争力。
电解水的工业开发和部署面临的困境和LIB的成功案例形成了鲜明的对比。作者认为，这种差异部分源自于与封闭式电化学系统相比，扩大和改善开放式电化学系统的性能存在固有困难。（This difference originates inpart from the inherent difficulties associated with scaling up and improvingthe performances of open electrochemical systems compared to those of closedelectrochemical systems.）接下来我们先明确电池和电解水体系的架构和设计之间的根本区别，以及为什么它们从实验室规模发展到工业规模的设施有着较大的不同。基于此进一步揭示阻碍低温电解水发展的实际限制。最后针对这些限制介绍近期被报道的一些设计策略，并讨论这些新的电解水架构和设计策略的潜力以及它们与传统电解技术的互补性。
3、讨论要点A 电池与电解水：封闭与开放系统
电化学能量转换和存储设备可以分为封闭系统（例如锂离子，钠离子电池和超级电容器等）和开放系统（例如氧化还原液流电池和低温电解水系统）。相比于开放系统，电池这种封闭系统不需要复杂的配套设备（Balance of plant），这既提高了其体积容量又提高了其可制造性和易用性。而对于开放式系统，气体和液体管理需要在电池和电池组两个层面上采取恰当的辅助措施，如在电池层面需要选择性膜允许离子迁移并避免反应物或产物的交叉扩散，而多孔集流体以促进液体或气体反应物到达电化学电池的内部，在电池组层面需要配套完善的液流系统和气体收集系统，这使得电解水系统的配套设备相对复杂且昂贵。
更为重要的是实验室研究的测试环境和指标和工业生产中的实际情况有着较大的出入。
1. 首先是工作参数的不同：在工业中常用的膜电极组（Membrane electrode assembly）中施加的电流密度一般在百mA cm﹘2量级，催化剂负载量高达1-2 mg cm﹘2。质子交换膜水电解槽（PEMWEs）的电流密度一般大于1.6 A cm﹘2而碱性水电解槽（AWES）在约0.5 A cm﹘2。这些指标都高于实验室常见的测试参数（10 mA cm﹘2量级的电流密度和0.1~0.3 mg cm﹘2的典型的催化剂负载）。
2. 其次研究的测试体系也不同：科学研究中为了规避不稳定因素一般使用三电极系统，并使用旋转电极来部分地规避由质量传输限制或电导率引起的瓶颈，但是针对工业生产中的场景需要考虑的在双电极体系下的膜电池组（Membrane electrode assembly MEA），其优化过程相对更复杂（这也是为什么全解水性能并不是简单的单电极性能叠加的原因）。
3. 最后其催化剂所处的工作环境也有区别：MEA和三电极系统相比催化剂所处的界面情况不同，如图在经典的MEA系统中催化剂存在固-气界面，而对于三电极系统，催化剂浸入了液体电解质中，同时反应底物也溶于液相环境中，从而只形成了固-液界面。
B 性能和价格的评估
在性能评估方面：根据如上分析不难发现，传统三电极的催化剂性能（包括活性和稳定性）并不能直接和工业上的MEA直接类比。不仅如此，工业上限制电解水设备效率的因素更为复杂，如高催化剂负载量，高电流密度，高浓度进料溶液和高温，以及相应的在波动的电流密度和温度下的工作寿命。[2]这意味着在实验室研究催化剂性能优化时需要指定更加规范的测试方法和更加合理的测试系统，因此必须开发新的电化学测试环境以模仿MEA中形成的固-气界面，以研究在实际工作环境下局部的细微影响，以便在实验室条件下测试HER和OER催化剂。
在价格评估方面：对于当今的PEMWEs技术，MEA成本仅占系统成本的14％左右，而堆栈成本则占26％左右，系统成本由配套设施成本决定（大型系统约为50％或更高）。在目前的低生产率下，即使使用昂贵的贵金属催化剂，MEA成本也不会限制堆栈成本，而占主要部分的是多孔传输层（Porous transport layer PTL）和双极板（Bipolar plate BP）。因此，为了降低电解水的成本，必须致力于开发成本有效的耐腐蚀多孔导电网络。降低PEMWE的系统成本和堆栈成本的一种主要方法是增加系统的功率，即通过扩大产能来稀释设备成本，但由于除IrO2以外，大多数氧化物（包括复杂的Ir基氧化物）在酸性条件下均不稳定，无法在商业应用中表现出超过100 000小时的稳定性，因此这就需要针对PEMWE开发高效且稳定的阳极催化剂，且在PEMWE的工作环境中对其进行性能表征。
C 新兴电解水解决方案
设计更好的催化剂和膜是当务之急，但我们同时也要意识到电解水的未来发展同样受制于当前PEMWE和AEMWE的架构和设计。最近，研究人员提出了一些新兴的解决方案和系统构架，以下介绍三种最具代表性的方法：1）使用无膜架构和设计来规避脆弱且昂贵的膜[3]，从而让离子迁移仅在溶液中发生。2）使用可溶的电子或质子介体[4]，让电化学过程可以从电极表面转换到介体表面。3）使用辅助电极来整合能量存储功能[5]，构筑电解池-电池耦合系统。总体而言，这些新的WE设备构想具有一定的潜力，但需要在工业化的条件（即中试规模）中进行基准测试。
电解水科学研究的工业化困境本质在于由于电解水过程作为开放系统需要昂贵的配套辅助设施，所以单方面的催化剂性能提升不能有效降低工业化电解水的单位成本。材料科学研究的测试环境需要对标工业生产和工业问题，针对工业界切实需要解决的材料方面的问题来进行研究（如PTL和BP材料的制备、极端环境下的稳定性测试等）。此外，我们也可以在切实了解当前工业化电解水的系统结构后对整个系统的构架进行优化和改良。
5、思考
作为材料领域的研究人员在设计材料时，需要着眼于工程方面的问题，将工程策略整合到研究方法中。这与研究催化剂或隔膜工作机制并不冲突。推进对电化学电极界面上发生的复杂过程的基本认识（材料科学的长期收益）和开发更好的电解水工业部件（工程的短期和长期收益）同等重要。为促使电解水技术成为下一个电化学的工业化成功案例和可持续的低排放能源整合技术，将实验室的研究结果转化为大规模生产意义重大。为实现更好的电解水架构和设计的部署，需要材料科学家、电化学家和工程师之间更紧密的交流和合作。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-020-0788-3
DOI：10.1038/s41563-020-0788-3
相关文献：[1] Kroschel M. Bonakdarpour A. Kwan J. T. H. Strasser P. &Wilkinson D. P. Analysis of oxygen evolving catalyst coated membranes withdifferent current collectors using a new modified rotating disk electrodetechnique. Electrochim. Acta 317 722–736 (2019).
[2] Ayers K. Benchmarking Advanced Water Splitting Technologies: BestPractices in Materials Characterization (EnergyMaterials Network 2019).
[3] H. Hashemi S. M. Modestino M. A. & Psaltis D. A membrane-lesselectrolyzer for hydrogen production across the pH scale. Energy Environ. Sci. 8 2003–2009 (2015).
[4] Amstutz V. et al. Renewable hydrogen generation from a dual-circuitredox flow battery. Energy Environ. Sci.7 2350–2358 (2014).
[5] Chen L. Dong X. Wang Y. & Xia Y. Separating hydrogen andoxygen evolution in alkaline water electrolysis using nickel hydroxide. Nat. Commun. 7 11741 (2016).
