伯克利研发突破：降低绿氢成本的新路径

为大型交通和工业提供氢燃料的生产过程往往能耗高、成本昂贵。如今，伯克利的一名化学家在利用水和电力生产低成本绿色氢气的过程中，成功解决了一项关键难题。加州大学伯克利分校的一位化学家开发了一项新技术，有望显著延长产氢燃料电池的使用寿命，加速低成本、环保型氢燃料的到来。

氢气不仅用于重型运输车辆的燃料，也是化肥及其他化工材料生产的重要原料，还可作为电网长时储能的解决方案。目前，大部分氢气通过天然气制取，少部分通过煤制氢，在释放大量二氧化碳的同时，也伴随化石能源开采与使用的典型环境影响。

氢气也可以通过电解水产生，副产物仅为氧气。但目前利用电解水制氢成本较高，尚难在无补贴情况下与化石来源氢气竞争。要降低成本，最佳方法是利用廉价但波动性的风能与太阳能供电。然而，如果电解槽只在部分时间运行，其制造成本必须显著下降，才能实现经济可行性。

加州大学伯克利分校的 Shannon Boettcher 团队正在研发一种采用离子导电聚合物的新型电解技术，有望大幅降低成本。但迄今为止，这类系统的稳定性仍不足——电极容易快速降解。Boettcher 团队如今重新设计了电解槽，使电极在运行过程中免受降解影响。

Boettcher 表示：“如果这种技术最终能够真正运行，不难想象电解槽成本会降低 5 到 10 倍。这将使我们能够将它们作为电网的灵活负载，利用低价电力生产氢气。”电解槽能够将太阳能或风能在峰值产出时的过剩电力转化为氢气，以备工业使用甚至季节性储能。“我们正在努力开发能够利用这些间歇性电力的电化学制氢技术。”Boettcher 说道。

该研究成果已于 10 月 16 日发表于《Science》。

为何电极会失效？

Boettcher 解释说，聚合物电极的降解发生在电极从氢氧根离子（OH⁻）中提取电子生成氧气的过程中。当聚合物本身失去电子时，会发生氧化降解，这是这类电解技术商业化的主要障碍。

尽管该团队专注解决这一问题的研究获得了美国能源部（DOE）的资助，但该项目的资金在近期停摆中被突然终止。伯克利方面正对 DOE 的决定提出质疑。

Boettcher 表示，目前主要有两类可商业化的电解水制氢设备。第一类是液碱电解（liquid alkaline electrolysis），其电解质是一种高温、强腐蚀性的碱性溶液，类似于用于疏通下水道的管道疏通剂（如 Drano）。电极浸泡在这种液态电解液中，并依靠多孔陶瓷隔膜来分隔生成的氢气和氧气。尽管这种电解方式效率较高、并正在中国大规模推广，但 Drano 类似的高腐蚀电解液使维护变得困难，而且陶瓷隔膜在高产氢速率或间歇性运行时性能不佳。第二类是较新的质子交换膜（PEM）电解槽（proton exchange membrane electrolyzer）。这种装置使用酸性、可导离子的有机聚合物膜作为电解质，同时也用于分隔氧气和氢气。

他解释道：“这种电解槽的优势在于，膜能更有效地阻止氧气和氢气相互混合。你可以把两个电极放得非常近，在一个电极高效地产生氢气，在另一个电极高效地产生氧气，并且膜本身就作为电解质——相当于固态盐溶液，因此你只需要输入纯水即可运行。”

在这类电解槽中，真正的问题来自电解槽内部的强酸性环境。

“在氧化条件下——也就是电解槽中产氧的条件——强酸几乎会溶解我们已知的所有金属。”他解释道。唯一能够在这种条件下作为电极材料的，是昂贵的金属铱（Ir）；此外，这类电解槽还必须依赖所谓的“永久化学品”（forever chemicals），即含氟聚合物，才能保证膜的稳定性。Boettcher 的新技术——阴离子交换膜水电解（AEMWE）——将固体聚合物膜的优势，与传统碱性电解（碱液成本低、效率高）的经济性和简易性结合在一起。他说：“你能同时获得两种技术的优点——碱性电解的低成本材料优势，以及膜电解技术的低成本、更高安全性和更少维护需求——但前提是这种技术必须足够耐用。”

破解降解问题：重点突破阳极

为了应对降解难题，Boettcher 将研究重点放在最容易受损的阳极（氧化电极）上。阳极带正电，会从聚合物分子中抽走电子，从而加速氢氧根离子（OH⁻）对聚合物的腐蚀。

他说：“电池失效的原因之一也类似：发生了不需要的副反应。电池材料中的电子跑去跟电解液反应，引发各种副反应，导致电池被‘污染’，最终无法工作。”

借鉴电池领域数十年的研究成果，Boettcher 团队提出了一种保护聚合物免受副反应损害的新方法：将廉价的氧化锆（ZrO₂）无机聚合物混入负责离子传导、气体分隔的有机聚合物中。氧化锆聚合物会在阳极附近富集，形成一层“钝化保护层”，阻挡有机聚合物与电极发生电子转移，从而显著减少降解。

“我们实现了降解速率降低 100 倍。”他说，“虽然距离真正商业化还有一些距离，但这是我们迄今找到的最大、最有效的突破点。”

电极结构与电化学设计

阳极的制备方式为：在钢丝网（steel mesh）上沉积基于钴的催化剂，然后将催化剂和钢网完全包覆在混合聚合物中。随后再加入阴极（从水中提取氢离子生成氢气），最终形成一个“夹心结构"的电极系统。

博伊特彻（Boettcher）教授目前担任加州大学伯克利分校化学工程系 Theodore Vermeulen 讲席教授，他正持续开展相关研究，以深入理解和提升电极性能，并消除剩余的所有降解机制。他也是加州大学伯克利分校电化学科学、工程与技术中心（CESET）的创始主任。他希望，通过改进电解槽和开发新型电池技术，能获得更多动力，特别是今年 9 月加州宣布投入 2800 万美元以加速电化学技术商业化之后。该笔资金由加州能源委员会授予位于海沃德的 Electrochemistry Foundry（电化学铸造厂）——一家专注于新型电化学技术中试和规模化的私人非营利创新平台，首轮重点放在下一代电池技术。加州大学伯克利分校也通过全新的“电化学学院”（Electrochemistry Academy）推出相关课程，并与该机构合作，为学生提供实习机会。

“氢的生产、储存以及运输都非常昂贵，而且面临诸多挑战。但相关技术的进步令人难以置信。”博伊特彻表示，“在许多应用领域，电解制氢不依赖补贴即可与化石燃料竞争的时代即将到来。”

该研究由美国能源部资助（DE-EE0011322）。合作者包括：加州大学伯克利分校的侯书进（Shujin Hou）、赵阳（Yang Zhao）、郭敏京（Minkyoung Kwak）、李锦源（Kelvin Kam-Yun Li）、吴沛尧（Peiyao Wu）、Anthony Ekennia 和 Joelle Frechette，以及伯克利国家实验室的 Gregory Su；另外还有来自 Versogen（美国特拉华州一家致力于该技术商业化的公司）、特拉华大学和斯坦福大学的合作伙伴。

翻译人：高丰言

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/11/25/fuel-cells/how-uc-berkeley-is-improving-the-affordability-of-hydrogen-fuel