碱性聚合物膜电解水制氢

氢气具有高能量密度、使用过程零排放的特点，利用可再生能源电解水制氢是提升新能源消纳水平、支撑以新能源为主体的新型电力系统可靠运行的重要手段。目前在多种高效制氢方法诸如煤气化、天然气蒸汽重整、甲醇重整以及电解水制氢中，电解水制氢具有产物单一、制备过程无污染以及环境限制因素少等优点，可以有效减少氢气生产过程中的碳排放（图1），助力实现“碳中和”目标。

根据电解质材料不同可分为碱水电解槽、质子交换膜电解器、碱性聚合物膜电解器和固体氧化物电解器。不同电解器件工作原理和相关参数对比如图2所示。碱性聚合物膜电解器结合了碱水电解可使用非贵金属催化剂以及质子交换膜电解电流密度高的优点，在电解水制氢方面表现出极具潜力的应用前景。

中国科学技术大学研究团队一直从事离子交换膜制备、传质和能源转换与存储等研究，开发的离子交换膜产品已实现技术转化(图3)，填补了国内均相膜产业化的空白。近年来团队主攻碱性聚合物膜、非氟质子交换膜、高温无水质子膜等的研制开发，实现了高电导率、高耐碱聚电解质膜的中试规模制备，并已对外提供碱性聚合物膜样品。

研究团队近些年来专注于纳米和亚纳米尺度(如单原子、团簇)催化剂的理性设计及精细调控。发展了全新的“自上而下”的单原子、团簇催化剂的合成方法，将金属载量从通常的1wt%以下提升到了具有实用价值的5wt%以上，极大地提高了单原子催化剂的质量活性，该方法已被国内外同行广泛采用。研究团队面向不同的工业应用场景开发了多达300多种单原子催化剂，初步建立了单原子催化剂的大数据库，实现了不同载体中单原子及团簇催化剂的可控宏量合成。研究团队实现了大面积膜电极的批量生产，成功应用于电解水、燃料电池、CO 2电催化还原等领域，并进一步成功组装出小型电堆，如图4所示。预计在2024年，将实现10kW级碱性聚合物电解水系统的研制。

项目团队