在新电解槽中，改进的离子传导膜（右侧黄色膜）可以使水产生氢气，而不需要昂贵的催化剂。图片来源：YU SEUNG KIM/洛斯·阿拉莫斯国家试验室

目前，电解水所用的电解槽价格昂贵，要么需要昂贵的催化剂，要么需要昂贵的金属外壳。本周，研究人员在《自然—能源》发表研究称，他们制造出一种只需要廉价材料的电解槽。

据《科学》报道，科学家们早在200多年前就知道如何将水分解为H₂和O₂。因为产生的混合气体会爆炸，如今最常见的设置是用一层厚的多孔塑料板将阳极和阴极分开。研究人员还使用较便宜的金属催化剂来加速反应，如镍和铁。

为使水能更好地传导离子，今天最常见的电解槽在水中添加了高水平的氢氧化钾（KOH）。在阴极或负极，水分子分解成H⁺和OH^-，H⁺与来自阴极的电子结合形成H₂，OH^-通过膜扩散到阳极或正极，在那里它们发生反应生成O₂和水。

美国洛斯·阿拉莫斯国家试验室化学家Yu Seung Kim说，由于KOH具有很强的腐蚀性，所以工程师们必须用昂贵的惰性金属，如钛，来制造电解槽。

这一缺陷促使研究人员在20世纪60年代开发出一种被称为质子交换膜（PEM）的电解槽技术。该技术中，隔膜被设计成选择性地允许H⁺通过，PEM的催化剂不在电极上，而是被固定在膜的两端。在这个装置中，阳极一侧的催化剂将水分子分解成H⁺和OH^-，后者立即与催化剂反应生成O₂分子。H⁺通过隔膜迁移到阴极侧，阴极侧膜上的催化剂将H⁺转化为H₂。

因为OH^-不会在PEM中迁移，因此电解槽不需要高碱性条件。这种装置产生氢的速率通常是碱性装置的5倍。但是这些膜也有自己的缺点：仍然需要一些昂贵的耐腐蚀金属来承受质子传导膜产生的酸性条件。它们还需要由铂和铱制成的催化剂，这些金属既昂贵又稀有。“根本没有足够量的贵金属用于大规模制氢。”Giner电化学公司工程师徐辉（音译）说。

现在，Kim及其同事联合华盛顿州立大学的研究人员表示，他们已经将这两种方法的优点结合起来，所研发的新装置创造了一个高碱性的环境来促进水的分解，但它是通过将催化剂系在离子导电膜的相对表面上实现的。

和KOH一样，阴极侧的催化剂将水分子分解成H⁺和OH^-，前者转化为H₂，后者通过阴离子交换膜（AEM）。新装置的设计目的是创造一个高碱性的局部环境，加速OH^-向阳极一侧移动，并在催化剂的作用下反应生成O₂。

该设备膜附近的碱性条件允许电解槽依靠廉价且丰富的镍、铁和钼基催化剂来分解水。由于碱度是局部的，电解槽可以用不锈钢制造。Kim及同事报告说，这种新装置产生氢气的速度比传统碱性装置快3倍，但仍然比商业上的PEM电解槽慢。“将旧的碱法技术和薄膜PEM技术结合是我们前进的道路。”徐辉说。

新设备需要证明其耐用性。初步迹象表明，大约操作10小时后，膜开始损坏。Kim说，主要的问题可能是这种聚合物薄膜容易吸水，时间一长，可能会导致催化剂颗粒脱落和漂移。对此，研究小组希望在膜上添加氟来防水。

Kim希望，AEM电解槽通过修复，可以加入太阳能电池和风车的行列，成为实现无碳世界的关键技术。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-020-0577-x