在綠色氫能產(chǎn)業(yè)鏈中，質(zhì)子交換膜（PEM）水電解技術(shù)因其高效性及對可再生能源波動電力的良好適應(yīng)性，被視為未來主流制氫路徑之一。然而，其內(nèi)部極端腐蝕環(huán)境導(dǎo)致核心部件必須使用昂貴的鈦材并鍍覆鉑催化劑，高昂的材料成本成為制約該技術(shù)大規(guī)模商業(yè)化的主要瓶頸。近日，瑞士聯(lián)邦材料科技與研究所（Empa）聯(lián)合法國多家科研機(jī)構(gòu)，宣布在替代材料研發(fā)上取得關(guān)鍵進(jìn)展，試圖以鋼材和特殊二氧化鈦取代傳統(tǒng)的鈦和鉑。

突破貴金屬依賴：鋼基替代方案

該項(xiàng)目由瑞士國家科學(xué)基金會（SNF）和法國國家研究署（ANR）共同資助，參與方除Empa外，還包括布雷斯特腐蝕研究所（Institut de la Corrosion）和南錫萊姆塔研究所（LEMTA）。研究團(tuán)隊聚焦于PEM水電解槽的核心組件，旨在通過材料創(chuàng)新降低綠色氫氣的制造成本。

傳統(tǒng)PEM電解槽中，氣體和水流的分配及收集部件通常由鈦制成，并需覆蓋鉑層以抵抗強(qiáng)酸腐蝕。Empa能源轉(zhuǎn)換材料實(shí)驗(yàn)室的研究員康斯坦丁·埃戈羅夫（Konstantin Egorov）指出，這種組合不僅成本高昂，且加工難度大。團(tuán)隊提出了一種全新的替代方案：使用經(jīng)過物理氣相沉積（PVD）涂層處理的鋼材作為基體，以取代昂貴的鈦；同時采用一種特殊形態(tài)的二氧化鈦來替代鉑催化劑。

高結(jié)晶二氧化鈦展現(xiàn)優(yōu)異性能

在催化劑替代方面，研究團(tuán)隊選用了一種名為“高結(jié)晶貧氧金紅石”的特殊二氧化鈦材料。該材料在特定位置缺乏氧原子，從而賦予了其良好的導(dǎo)電性。同時，其高度結(jié)晶的結(jié)構(gòu)確保了在強(qiáng)腐蝕環(huán)境下的穩(wěn)定性。埃戈羅夫強(qiáng)調(diào)，鋼材不僅價格低廉，更易于加工，這為設(shè)計更高效、更先進(jìn)的電解槽組件提供了可能。

物理氣相沉積（PVD）是一種成熟的工業(yè)涂層技術(shù)，Empa團(tuán)隊利用該技術(shù)將二氧化鈦均勻附著于鋼基體上。這種工藝選擇體現(xiàn)了研究團(tuán)隊務(wù)實(shí)的態(tài)度，即開發(fā)真正符合工業(yè)界需求、可規(guī)模化生產(chǎn)的解決方案，而非僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

雙極板通過嚴(yán)苛腐蝕測試

目前，該技術(shù)在首個關(guān)鍵組件——雙極板上已取得成功。Empa表示，采用新涂層的雙極板不僅在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境中通過了合作伙伴的嚴(yán)格腐蝕測試，在實(shí)際運(yùn)行的電解槽中也表現(xiàn)穩(wěn)定。這一突破驗(yàn)證了鋼基替代方案在極端工況下的可行性。

下一步，研究團(tuán)隊將挑戰(zhàn)更具難度的多孔傳輸層（Gas Diffusion Layer）涂層技術(shù)。主要難點(diǎn)在于如何在保持孔隙率、防止堵塞的前提下，實(shí)現(xiàn)涂層的均勻覆蓋。該項(xiàng)目預(yù)計持續(xù)至2026年，隨后Empa計劃尋找工業(yè)合作伙伴，共同推動該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化應(yīng)用。

對于中國氫能產(chǎn)業(yè)而言，PEM電解槽的成本下降是提升綠氫競爭力的關(guān)鍵。瑞士團(tuán)隊在材料科學(xué)上的突破表明，通過基礎(chǔ)材料創(chuàng)新而非單純依賴貴金屬堆砌，有望打破成本僵局。中國企業(yè)應(yīng)密切關(guān)注此類非貴金屬催化劑及低成本基材的研發(fā)進(jìn)展，結(jié)合國內(nèi)強(qiáng)大的制造業(yè)優(yōu)勢，加速相關(guān)配套技術(shù)的迭代與產(chǎn)業(yè)化落地，從而在全球綠色氫能競爭中占據(jù)更有利的位置。