如何在可再生能源规模化电解水制氢生产中，实现大规模、低能耗、高稳定性？这是中国科学技术协会在 2020 年度会议上发布的“10 个对未来技术和产业具有关键作用的工程难题”之一。
碱性膜电解水制氢具有良好的应用前景。实际上，电解水制氢技术由来已久，早在 1927 年，挪威已经出现能够在 1 小时生产 3000m³ 氢气的大型电解水车间。但由于电解水制氢装备贵、能耗高，价格更低的煤、石油制氢技术反而更快地发展起来。
最近几年，基于碳中和、碳达峰的目标，清洁能源被全球高度关注。2021 年，《麻省理工科技评论》将绿色氢能评为“全球十大突破性技术”（TR10）之一，并预测该技术将在 2030 年进入成熟期。
如何大规模、低能耗、长寿命、低成本地发展制氢技术，成为科研界和产业界重点关注的方向之一。
图丨清华大学电化学工程专家王保国教授
清华大学王保国教授团队从事膜分离和电化学工程的交叉领域科学研究，迄今已有近 20 年时间。他们从降低能耗角度出发，提出了“一体化”膜电极的概念，其核心是通过在多孔膜中，电催化剂原位取向生长策略，降低电子/气体/离子的传递阻力，从而提高电解水产氢速率。
通过该策略，在 1.6 伏电压条件，实现 1000mA.cm-2 电流密度下，将每立方米制氢电耗降低到 3.83 度，连续运行超过 1000 小时，为高性能电解水制氢提供了新方法。
图丨相关论文（来源：Nature Communications）
相关论文以《催化层由内向外生长的膜电极用于碱性电解水过程》（Oriented intergrowth of the catalyst layer in membrane electrode assembly for alkaline water electrolysis）为题发表在 Nature Communications 上[1]。
清华大学博士研究生万磊为论文第一作者，清华大学王保国教授为论文通讯作者。
制备 1m³ 氢气仅需 3.83 度电
通过在多孔膜中催化剂原位取向生长策略，制备的复合膜的跨膜泡点压强显著提高，膜面电阻降低至 0.05Ωcm2；基于耐碱的聚丙烯膜骨架的 CoNiS 纳米片状电催化剂，复合膜在 80℃ 的 30wt.% 氢氧化钾浸润 1000 小时后，膜面电阻未发现明显变化。
由于有序的三维 CoNiS 催化层结构、超低的膜面电阻及一体化的膜层/催化层界面结构，基于 CoNiS 纳米片阵列的整体有序膜电极在 1.6V 电压处实现 1000mAcm-2，单位制氢能耗降低为 3.83kWh，连续运行 1000 小时，膜电极性能稳定。
图丨采用“一体化”膜电极组件（MEA，Membrane Electrode Assembly）的先进碱性水电解原理图（来源：Nature Communications）
在该研究中，电解水制氢实现了高达 94% 的能量转换效率，居于该领域技术领先水平。从目前的市场来看，生产 1m³ 氢气消耗 4 度以内的电是很难的。由于能量效率与采用的基准有关，分母不一样效率也不同。因此，王保国认为，电解水中最重要的指标是看生产 1m³ 氢气需要消耗多少电能，更为简单明确，可以避免歧义。
他说：“这是目前全世界最好的指标，也是我们最引以自豪的地方。该研究最大的价值在于，我们从理论和实验两个方面，直接证实了阴离子交换膜（anion exchange membrane，AEM）在碱性环境中制氢，完全可以达到，或超过现有的质子交换膜（Proton Exchange Membrane，PEM）电解水制氢技术。”
图丨膜内含有垂直取向通道的膜电极性能（a）膜电极制备过程；（b）整体化膜电极表面；（c）不同离子膜综合性能比较；（d）比较不同电极的极化特性；（e）不同离子膜的膜面电阻比较；（f）整体膜电极断面结构；（g）膜与电极之间的界面；(h)不同膜电极在电流密度 1000mA.cm-2 条件下的电解水制氢过程稳定性（来源：Nature Communications ）
该研究中的多孔膜中原位生长策略是一种创新设计，通过材料结构的创新，降低电解槽内阻，最终实现性能提升。由于膜本身很薄仅 80-100 微米，膜内的微孔仅 0.2 微米，因此在其中制备特定取向结构充满了挑战。
研究团队从物理化学性质基本的特性出发，采用从小到大合成途径，将具备催化特性的离子作为前驱体制膜。
王保国表示：“在设计中最巧妙的是，发挥无机物结晶生长的取向特征，在微孔膜的限域空间内，形成取向结构的催化层。将无机催化剂定向生长和高分子膜柔软性的优势结合起来，让其在孔里长出结晶，实现取向生长。”
图丨一体式 MEA的形态（来源：Nature Communications）
目前，该技术尚处于实验室阶段。据悉，该技术中没有高成本的原材料，未来进一步发展不受资源限制。另外，制备工艺简单可靠，从这个角度看，未来的放大生产并不困难。
但目前，全球在电解水制氢的高端技术和高端设备方面尚处于起步阶段。那么，在此背景下，该技术何时有望落地呢？
王保国指出，技术具体的落地时间取决于人、财、物、市场等各个方面的因素，以及技术是否能实现稳定、批量地用于制造产品，并降低制造过程成本。因此，需要在动态中寻找机会及不断地解决相关科学问题与技术难题。
“需要了解的是，这并不是一个孤立的技术，我们课题组在自支撑催化电极和 AEM 耐碱膜两个方向，已经与相关的化工公司合作进行产业化实施。该技术将作为我们下一代的产业化技术，将技术发展与装备发展协调，整体推进绿氢产业发展。”他说。
“做一时的技术，还是一世的技术？”
王保国本科毕业于清华大学化学工程系，之后在日本东京大学化学工程系获得博士学位，还曾作为访问学者在哈佛大学物理系学习。他发表学术期刊论文 160 余篇，学术报告 200 多次，申请和授权发明专利 29 项。
他回忆道：“我记得博士毕业回国是 5 月份，北京正在刮沙尘暴。我当时就想，与气候和能源的研究课题，将会不断涌现出很多新技术、新产业、与新机会。”
要做一时的技术，还是一世的技术？王保国的答案无疑是后者。在 20 年前，储能和绿色氢气并没有过多热度的时候，他便精准地结合技术的前沿和领域的发展动向，逐渐确定了研究方向。
他表示：“课题研究不能盲目跟风和‘赶时髦’，需要结合自己的科研经历和技术储备，我始终坚持的原则是‘可持续发展’。”
2004-2014 年期间，王保国课题组从零开始起步，研究全钒液流电池储能过程，开发从关键材料到装备的整套技术，并建立了两个工厂。他曾参与“十三五”储能产业发展规划，当时中国北方的地区大量弃风、弃光，而在东南地区则大量弃水。
那么，是不是能够用储能解决这样的问题呢？理论上看可以实现。但是，从实际工程建设角度考虑，只讲储能问题有失偏颇。当规模达到一定程度后，储能系统的成本高、投资回收期长等现实的问题，一直困扰产业发展。
利用大规模储能，能够提高风力发电、光伏发电以及潮汐能电力质量，但是，仅靠“储存”难以实现大规模、长周期能量保存，还需要积极发展能量转化技术。
哪种载能物质符合绿色低碳的发展原理，成为王保国课题组长期关注的焦点。2014 年，在调查研究、比较不同的储能介质后，该课题组确认将氢气作为载能物质，有望实现大规模能量转化，并开始研究膜法电解水制氢技术与装备。
“地球表面约 71% 的面积被海洋覆盖，把水变成氢气需要加入能量，当氢气与空气中的氧气化合后，释放出能量后变成水，这完全是一个绿色的循环。并且最重要的是，这个循环完全不受任何资源限制并能实现可持续发展。”他说。
图丨传统 MEA 和三维有序 MEA [2]（来源：Energy & Environmental Science）
过去，大家常常“谈化工色变”，认为化工易燃、易爆存在安全问题。但是，通过电化学工程实现绿色发展，能够为人们提供更高效、更清洁的能源，为老百姓的衣食住行所需要能源提供新的选择。
王保国表示：“我希望大家积极地关注这个领域，不只关注领域的热度，而是关注这个领域背后的科学原理和工程原理。现在做储能最大的困难就是领域内的人才奇缺，因为学科的交叉性太强了。”
以研究开发电化学装备为例，需要懂电化学、材料学、化工装备、化学工程的复合型人才。目前，国内已有 63 所高校开设储能科学与工程专业，但王保国指出，国内外高校的课程体系，和课程内容还需要进一步和应用结合。
一方面，需要多学科交叉发展；另一方面，科研工作者在研究的过程中，需要通过教育或短期培训，快速补充相关的专业知识。“只有加快培养储能人才，才能促进产业的良性发展。”他最后说道。