氢制取来源包括化石能源制氢、工业副产气制氢、电解水制氢、其他可再生能源制氢等方式，根据制氢工艺和二氧化碳排放量的不同，可划分为灰氢、蓝氢和灰氢三种路径，其中灰氢指通过化石燃料燃烧/工业副产品转化而来的氢能，生产过程中释放大量的二氧化碳，无法实现零碳生产，因技术成熟且成本较低，成为当前主流制氢方式，占当前全球氢气产量的95%；蓝氢是在灰氢的基础上利用碳捕捉封存技术减少生产过程中的碳排放，实现低碳制氢，作为过渡性的技术手段；绿氢则是通过光伏发电、风电及太阳能等可再生能源电解水制氢或生物质等其他环保方式制氢，在制备过程中不会产生二氧化碳，为真正意义上的绿色环保“零碳氢气”，目前受制于技术门槛和较高成本，尚未实现大规模应用。（来源：氢能网）
灰氢为当前主流制氢方式，无碳排放的绿氢逐步取代灰氢是21世纪新能源发展的必然路径。随着全世界都在加速脱碳，建立“碳中和”目标和规划，政策将围绕质子交换膜电解槽的设备展开。将这些电解槽接入到清洁电力，就有可能从水中提取氢，而不产生任何温室气体和有毒有害物质。这是能源革命的终极目标。世界各地的公司已经在加快绿色氢气工厂的规划建设以及电解槽的生产中。中国和美国也分别对绿氢经济做出规划和布局。
对于什么是绿氢？什么是电解槽制氢？我们根据最近一篇“大电流密度下质子交换膜电解槽制氢”的工作来了解目前行业内的研究现状和挑战。
第一作者：葛诗玉
通讯作者：刘碧录，柴国良，余强敏
通讯单位：清华大学深圳国际研究院，中科院福建物质结构研究所
DOI：10./D3EEE
全文速览
电解水产生氢是实现全球碳中和使命的关键。在高电流密度下，用于析氢和析氧反应（OER）的电催化剂是水电解槽高效绿色产氢的先决条件。然而，由于强烈的阳极极化效应和苛刻的酸性腐蚀，开发高效和耐用的OER电催化剂仍然是一个难题。开发在高电流密度下具有优异活性和耐用性的电催化剂对于质子交换膜电解槽至关重要。然而，电催化剂在氧化酸性电解质中的溶解会导致性能衰减，特别是在高电流密度下。本文报道了一种具有强耦合界面的氧化铬-铱电催化剂（CrO2-0.16IrO2），其在大电流密度下具有较高的OER活性和稳定性。
本文亮点
1.IrO2和CrO2之间的强耦合作用降低了IrO2位点的OER能垒，增强了Ir-O键，从而提高了OER活性和稳定性。
2.以催化剂作为阳极的电解槽在1.73V的低电池电压下实现了2Acm-2的电流密度，并在1Acm-2下稳定运行小时。氢气生产的电力成本为0.87美元/千克H2，符合美国能源部设定的年目标（2.0美元/千克H2）。
背景介绍
氢（H2）具有高能量密度和对环境友好的优点，是未来碳中和不可缺少的能量载体。可持续电力驱动的水电解提供了一种很有前途的途径，可以产生绿氢，碳排放量可以忽略不计。在各种水电解技术中，质子交换膜（PEM）电解槽因其高电流密度运行、高能量转换效率和高氢纯度等优点而被看好。开发高电流密度的高性能电催化剂是PEM电解技术工业应用的先决条件。到目前为止，阴极析氢电催化剂的研究在高电流密度下的活性和耐久性方面取得了许多进展。然而，大电流密度下阳极析氧反应催化剂的研究是具有挑战性的，这也是影响PEM电解槽效率和寿命的瓶颈，阻碍了它们的工业应用。因此，开发面向工业大电流密度的电解水析氢电极材料十分必要。
图文解析
1.结构表征表明了在多孔CrO2中形成了高度分散的IrO2纳米颗粒。
图1.CrO2-0.16IrO2电催化剂的合成和结构表征
2.CrO2-0.16IrO2电子结构表征
通过XPS和XAS结果分析表明，Cr改变了CrO2-0.16ΙrO2中Ir的电子价态。
图2.CrO2-0.16IrO2电催化剂的电子结构表征
3.CrO2-0.16IrO2电催化剂酸性OER电化学测试
通过在高电流密度下的酸性OER电化学测试，CrO2-0.16IrO2电催化剂具有非常优异的OER电化学稳定性和活性，远超目前报道的大部分催化剂。
图3.CrO2-0.16IrO2催化剂在25℃和高电流密度下的酸性OER性能
4.CrO2-0.16IrO2电催化剂的理论解析
DFT计算结果表明，IrO2和CrO2之间的强耦合降低了能量降低了Ir-O键的长度，从而优化了催化剂OER的活性和稳定性。
图4.DFT计算
5.CrO2-0.16IrO2作为PEM电解槽阳极催化剂的性能结果
PEM电解槽生产千克H2的估计电力成本约为0.87美元，远低于美国能源部2.0美元/千克H2的目标。PEM电解槽（20%Pt/C
CrO2-0.16IrO2）在1Acm-2下的能量效率达到76.7%。计算出相应的H2产率为5.18x10-6molH2cm-2s-1。这些结果表明，CrO2-0.16IrO2电催化剂在PEM电解槽上具有优异的绿色制氢性能。
图5.CrO2-0.16IrO2作为PEM电解槽阳极催化剂的性能结果
总结与展望
总之，作者们制备了具有高电流密度酸性OER活性和稳定性的CrO2-0.16IrO2电催化剂。IrO2和CrO2之间的强耦合作用降低了IrO2位点的OER能垒，缩短了Ir-O键长度，从而提高了其OER活性和稳定性。我们还将这种电催化剂的实验室规模性能研究扩展到PEM电解槽，该电解槽在1.73V的低电池电压下实现了2Acm-2的电流密度，并在1Acm-2下稳定运行小时。氢气生产的电力成本为0.87美元/千克H2，符合美国能源部设定的年目标（2.0美元/千克H2），表明这种电催化剂的潜在用途。本研究报告的催化剂设计策略可以扩展到其他材料体系和电化学反应中，促进其在工业所需的高电流密度下的实际应用。
文献来源
B.Liu,S.Ge,R.Xie,B.Huang,Z.Zhang,H.Liu,X.Kang,S.Hu,S.Li,Y.Luo,Q.Yu,J.Wang,G.Chai,L.Guan,H.-M.Cheng,EnergyEnvironmentalScience.DOI:10./D3EEE
文献链接：