综述：质子交换膜在PEM水电解槽中的应用综述：绿色氢能生产的可持续途径

这篇综述深入剖析了质子交换膜（PEM）在水电解制氢中的关键作用，对比了传统全氟磺酸膜（PFSA，如Nafion）与新兴烃基膜（如磺化聚芳醚砜、聚醚醚酮）的性能差异。通过分子层面改性（骨架化学、侧链长度、无机填料增强）揭示了提升质子传导率（>100 mS cm?1）、机械强度（>25 MPa）和耐酸性的机制，并指出降解途径（溶胀、化学降解）。文章特别强调有机-无机杂化网络等低成本复合策略，为绿色氢能经济提供了技术路线图。

　　

历史

水电解技术可追溯至1800年工业革命时期，Nicholson和Carlisle首次实现电解水制氢。法拉第于1834年确立电解基本定律，而首座大型电解设施（1939年）产能已达10,000 Nm³/年。这一技术历经百年演进，为现代质子交换膜（PEM）水电解奠定了基础。

PEM水电解

PEM水电解技术凭借紧凑结构、快速响应（适应可再生能源波动）和高纯度产氢（>99%）优势脱颖而出。其核心在于零间距设计：阳极催化水氧化释放质子（H⁺）和电子，质子通过PEM迁移至阴极重组为H₂。目前主流膜材料Nafion厚度为25-250 μm，但其高昂成本（400-500美元/m²）制约规模化应用。

质子交换膜分类

PEM可分为全氟磺酸（PFSA）和烃基聚合物两大体系。PFSA（如Nafion、Aquivion）以优异质子传导率（80°C下>100 mS cm^?1）和低氢渗透（<2 mA cm^?2）著称，但成本瓶颈推动了对磺化聚芳醚砜（SPAES）、聚醚醚酮（SPEEK）等烃基材料的研究。通过调控骨架疏水性、引入磺酸基团或二氧化硅填料，这些材料成本降低40-50%的同时，性能接近PFSA基准。

降解机制

PEM在强酸（pH≈2）、高温（>80°C）和高电位（>1.5 V）下的降解分为三类：

1. 化学降解：自由基攻击磺酸基团导致氟离子释放，可通过引入Ce³⁺自由基淬灭剂缓解；
2. 机械降解：反复润胀-干燥循环引发微裂纹，采用聚四氟乙烯（PTFE）纤维增强可提升韧性；
3. 热降解：局部过热加速聚合物链断裂，氧化锆填料可改善热稳定性。

未来挑战与方向

当前烃基膜面临离子通道稳定性不足、批量生产一致性差等难题。突破路径包括：

• 设计酸稳定性嵌段共聚物（如聚砜-聚醚砜），构建连续质子传输网络；
• 开发气相磺化等可放大工艺；
• 结合机器学习优化填料分散性。

结论

通过分子工程与复合策略的协同创新，低成本PEM已展现出替代传统PFSA的潜力。未来需聚焦材料-工艺-设备集成，加速实验室成果向千兆瓦级电解槽的转化，最终推动绿色氢能经济的实现。