国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

他，新晉中科院院士，重磅Nature Nanotechnology！

成果簡介

驅(qū)動碳中和目標(biāo)，質(zhì)子交換膜水電解由于其將波動電力轉(zhuǎn)化為綠色氫氣的能力，正在成為一項熱門技術(shù)。不幸的是，盡管在基礎(chǔ)研究上投入了大量資源，只有少數(shù)研究成果成功轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模的電解槽開發(fā)。近日，廈門大學(xué)鄭南峰院士和陶華冰團隊等人以“The gap between academic research on proton exchange membrane water electrolysers and industrial demands”為題將相關(guān)文章發(fā)表在Nature Nanotechnology上以描述這種學(xué)術(shù)與工業(yè)界的差距。

研究背景

圖1：PEM水電解器的組件及文獻(xiàn)分布。

水電解提供了一種將大規(guī)模可再生電力轉(zhuǎn)化為綠色氫氣的清潔解決方案。在各種水電解技術(shù)中，質(zhì)子交換膜水電解（PEMWE）是唯一能夠直接與波動的可再生電力連接的商業(yè)化技術(shù)。盡管成本較低的堿性水電解器是一種較老的商業(yè)技術(shù)，但在動態(tài)操作下會面臨嚴(yán)重的安全問題。然而，目前PEMWE的成本太高（約為堿性電解器的3-5倍），無法被廣泛部署在工業(yè)中。一個重要但并非唯一的原因是依賴于貴金屬如銥和鉑。因此，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都投入了大量努力來降低PEMWE的成本。然而，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的技術(shù)重點存在顯著差異。圖1a概述了PEMWE的關(guān)鍵組件，這些組件是串聯(lián)連接的。這種物理結(jié)構(gòu)意味著每個組件都需要優(yōu)化以達(dá)到最低電阻，因為任何一個組件都可能成為效率的限制因素。

不幸的是，學(xué)術(shù)研究與工業(yè)需求之間存在相當(dāng)大的差距。對來自Web of Science數(shù)據(jù)庫的近3000篇關(guān)于PEM電解的文獻(xiàn)進行粗略審查顯示，學(xué)術(shù)研究主要集中在減少貴金屬的使用或開發(fā)無貴金屬催化劑，而對電解器其余組件的關(guān)注較少，只占研究努力的不到四分之一（圖1b）。顯然，這種分布意味著一些重要的技術(shù)問題，如催化劑層，未得到充分關(guān)注。此外，學(xué)術(shù)界通常注重推技術(shù)活動的極限，而工業(yè)界必須在成本、穩(wěn)定性和安全性等多個因素之間取得平衡。因此，許多學(xué)術(shù)界的研究成果仍停留在實驗室，而工業(yè)研究人員正在努力解決實際應(yīng)用中遇到的技術(shù)問題。

圖文導(dǎo)讀

催化劑性能=電極性能？

學(xué)術(shù)界存在一種隱含的假設(shè)，即一個好的催化劑也會是一個好的電極，因此學(xué)術(shù)界主要通過開發(fā)低貴金屬催化劑或無貴金屬催化劑來降低成本。事實上，到目前為止，貴金屬僅占工業(yè)電解器總成本的約10%。減少貴金屬無疑是PEMWE發(fā)展的一個重要任務(wù)，但僅靠催化劑研究很難完成這項任務(wù)。一個重要的原因是電極中催化劑的利用率低。比如，在高電流密度4 A cm^–2下，3M公司的納米結(jié)構(gòu)薄膜（NSTF）電極的陽極催化劑層（ACL）中的催化劑利用率僅為2.4%，而FuGeMEA的利用率為30%。催化劑利用率低是陽極催化劑層（ACL）中質(zhì)子/電子和水/氣體傳輸之間復(fù)雜平衡的結(jié)果。因此，有必要加強在ACL的研究投資以提高催化劑的利用率，這不僅可以減少貴金屬的使用，還可以更有效地提高性能。

穩(wěn)定還是不穩(wěn)定？走向統(tǒng)一的評估標(biāo)準(zhǔn)

可能，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界達(dá)成一致的一個非常重要的起點是電解器的真正穩(wěn)定性。工業(yè)反饋顯示，到目前為止，ACL是PEMWE的限制性組件。由于電解器需要在波動的操作條件下可靠工作十年，工業(yè)界非常重視穩(wěn)定性。然而，到目前為止，很少有電解器能夠在如此長的服務(wù)時間內(nèi)運行，并且新技術(shù)頻繁出現(xiàn)。對于學(xué)術(shù)界來說，評估真實壽命長達(dá)如此時間尺度幾乎是不可能的，通常只能支持?jǐn)?shù)百到數(shù)千小時的穩(wěn)定性測試。與大多數(shù)文獻(xiàn)簡單展示老化曲線聲稱良好穩(wěn)定性不同，工業(yè)界希望了解更多細(xì)節(jié)，如材料在電解器中如何和為什么降解。

化學(xué)還是物理？

總的來說，學(xué)術(shù)界增強性能的研究重點主要在化學(xué)方法上，如設(shè)計新穎更活躍的催化劑。然而，從工業(yè)界的經(jīng)驗來看，許多性能和壽命的限制源于物理因素，如CCM上的應(yīng)力分布。最近的研究表明，通過優(yōu)化應(yīng)力分布顯著提高了電解器的性能和穩(wěn)定性。另一個例子是陽極催化劑層的降解。實際上，由于聚合物離聚物粘合劑的膨脹、蠕變和遷移特性，ACL的微觀結(jié)構(gòu)不斷受到熱和水的影響。盡管大多數(shù)文獻(xiàn)討論化學(xué)降解過程，但工業(yè)界發(fā)現(xiàn)，到目前為止，陽極催化劑層的物理結(jié)構(gòu)崩塌是主要的降解機制。不幸的是，物理過程在學(xué)術(shù)界受到的關(guān)注要少得多。

規(guī)模放大還是縮?。?/strong>

從學(xué)術(shù)界的角度來看，商業(yè)化過程幾乎意味著材料或技術(shù)的單向放大。然而，單向放大可能會失去一些重要的成本或性能優(yōu)勢。例如，通過單向放大策略，在較大的電解器中經(jīng)常會遇到顯著的性能損失。這是因為在較大的電解器中，熱、質(zhì)量、電子和質(zhì)子傳輸變得非常不同，而它們在實驗室規(guī)模的電池中影響不大。除了學(xué)術(shù)界通過開發(fā)新材料或方法來提高性能的推動外，更實際的方法是識別基本的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，以指導(dǎo)商業(yè)電解器的開發(fā)。除了單向放大，縮小可能是加速新技術(shù)在工業(yè)中部署的重要補充。

圖2 電解器的放大沒有顯著的性能損失。

一個有趣的采用縮小策略的案例是識別優(yōu)化的流場結(jié)構(gòu)（圖2）。根據(jù)燃料電池的豐富經(jīng)驗，人們自然會選擇蛇形流場用于PEMWE，特別是在實驗室測試電解器中。然而，由于蛇形流場的高制造成本，我們的大規(guī)模電解器采用了梯度網(wǎng)格作為流場。令人驚訝的是，大規(guī)模電解器堆比實驗室電解器單元顯示出更高的電流密度和穩(wěn)定性。詳細(xì)研究表明，這一差異源于CCM上的應(yīng)力分布：蛇形流場導(dǎo)致CCM上的應(yīng)力分布高度不均勻，從而導(dǎo)致催化劑的低利用率，而梯度網(wǎng)格結(jié)構(gòu)則產(chǎn)生相對均勻的應(yīng)力分布和更高的催化劑利用率。通過縮小方法識別的這一關(guān)鍵因素，實驗室規(guī)模的電解器根據(jù)大規(guī)模電解器的結(jié)構(gòu)進行了改造。結(jié)果表明，通過這種方法，電解器可以放大三個數(shù)量級而電池電壓僅增加不到2%。從這個例子可以看出，縮小是一種強有力的故障排除方法。

在波動電力下運行

PEMWE的需求正在被越來越多采用的可再生能源供電的綠色氫氣生產(chǎn)所推動。然而，可再生能源的波動性給堿性水電解器等其他技術(shù)帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，工業(yè)界迫切需要擴大PEMWE的動態(tài)操作窗口，以降低氫氣的平準(zhǔn)化成本。理想的電解器應(yīng)能夠在部分負(fù)載和過載下高效運行，這對于PEMWE利用廉價的波動電力至關(guān)重要。由于可再生能源通常在短時間內(nèi)（不到其服務(wù)壽命的10%）產(chǎn)生高峰電力，因此不必讓電解器的容量與可再生電力的峰值功率相匹配。相反，一種經(jīng)濟的方法是通過提高PEMWE的過載上限（目前約為120%）來減少電解器容量。除了降低材料成本，增加電流密度是另一種有效的節(jié)約成本的措施，用于降低與PEMWE相關(guān)的總費用。盡管全球安裝了數(shù)百兆瓦的PEMWE，但在實際波動電力條件下運行的工業(yè)PEMWE的數(shù)據(jù)仍然不足。因此，學(xué)術(shù)研究需要更多詳細(xì)的行業(yè)數(shù)據(jù)反饋，以有效解決現(xiàn)實研究問題。

另一個關(guān)鍵問題是波動電力輸入對材料和整個電解器壽命的影響。在動態(tài)操作下，液體電解質(zhì)測試中觀察到催化劑的加速溶解，而在PEMWE設(shè)備中觀察到耐久性提高。因此，關(guān)于動態(tài)操作對PEMWE壽命的影響，目前尚未得出確定結(jié)論。溶解率增加的主要原因是催化劑表面重構(gòu)，可以通過控制操作期間的最低電位來減輕。此外，值得注意的是，直接將液體電解質(zhì)測試中獲得的溶解率推導(dǎo)到設(shè)備條件可能導(dǎo)致催化劑降解的過高估計，因為酸性環(huán)境在兩個系統(tǒng)之間有顯著差異。總體而言，目前的數(shù)據(jù)不足以得出關(guān)于動態(tài)操作對穩(wěn)定性影響的結(jié)論。迫切需要開發(fā)一種務(wù)實的測試方法，以使基礎(chǔ)研究與行業(yè)需求保持一致。

總結(jié)展望

彌合學(xué)術(shù)研究與工業(yè)之間的差距對于推進有前景的PEMWE技術(shù)至關(guān)重要。學(xué)術(shù)研究應(yīng)擴大其關(guān)注范圍，包括更多的因素。工業(yè)電解器中老化材料的事后表征顯著缺乏，這是需要學(xué)術(shù)界關(guān)注和支持的差距。此外，工業(yè)界需要在技術(shù)專長和工業(yè)資源方面提供全面支持，以促進學(xué)術(shù)研究中新材料和技術(shù)的發(fā)展。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的合作對于推動進步和確保創(chuàng)新解決方案在該領(lǐng)域的成功實施至關(guān)重要。

文獻(xiàn)信息

Tao, H. B., Liu, H., Lao, K., Pan, Y., Tao, Y., Wen, L., & Zheng, N. (2024). The gap between academic research on proton exchange membrane water electrolysers and industrial demands. Nature Nanotechnology. https://doi.org/10.1038/s41565-024-01699-x

原創(chuàng)文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2024/07/04/bb0ca86118/

国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

他，新晉中科院院士，重磅Nature Nanotechnology！

相關(guān)推薦

他，新晉中科院院士，重磅Nature Nanotechnology！