伯克利研發突破：降低綠氫成本的新路徑

為大型交通和工業提供氫燃料的生產過程往往能耗高
、成(cheng)本(ben)昂(ang)貴(gui)。如(ru)今(jin)，伯(bo)克(ke)利(li)的(de)一(yi)名(ming)化(hua)學(xue)家(jia)在(zai)利(li)用(yong)水(shui)和(he)電(dian)力(li)生(sheng)產(chan)低(di)成(cheng)本(ben)綠(lv)色(se)氫(qing)氣(qi)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，成(cheng)功(gong)解(jie)決(jue)了(le)一(yi)項(xiang)關(guan)鍵(jian)難(nan)題(ti)。加(jia)州(zhou)大(da)學(xue)伯(bo)克(ke)利(li)分(fen)校(xiao)的(de)一(yi)位(wei)化(hua)學(xue)家(jia)開(kai)發(fa)了(le)一(yi)項(xiang)新(xin)技(ji)術(shu)，有(you)望(wang)顯(xian)著(zhu)延(yan)長(chang)產(chan)氫(qing)燃(ran)料(liao)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，加(jia)速(su)低(di)成(cheng)本(ben)、環保型氫燃料的到來。

氫(qing)氣(qi)不(bu)僅(jin)用(yong)於(yu)重(zhong)型(xing)運(yun)輸(shu)車(che)輛(liang)的(de)燃(ran)料(liao)

，也(ye)是(shi)化(hua)肥(fei)及(ji)其(qi)他(ta)化(hua)工(gong)材(cai)料(liao)生(sheng)產(chan)的(de)重(zhong)要(yao)原(yuan)料(liao)，還(hai)可(ke)作(zuo)為(wei)電(dian)網(wang)長(chang)時(shi)儲(chu)能(neng)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。目(mu)前(qian)
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氫qing氣qi也ye可ke以yi通tong過guo電dian解jie水shui產chan生sheng
，副fu產chan物wu僅jin為wei氧yang氣qi。但dan目mu前qian利li用yong電dian解jie水shui製zhi氫qing成cheng本ben較jiao高gao
，尚shang難nan在zai無wu補bu貼tie情qing況kuang下xia與yu化hua石shi來lai源yuan氫qing氣qi競jing爭zheng。要yao降jiang低di成cheng本ben
，最zui佳jia方fang法fa是shi利li用yong廉lian價jia但dan波bo動dong性xing的de風feng能neng與yu太tai陽yang能neng供gong電dian。然ran而er，如ru果guo電dian解jie槽cao隻zhi在zai部bu分fen時shi間jian運yun行xing，其qi製zhi造zao成cheng本ben必bi須xu顯xian著zhu下xia降jiang
，才cai能neng實shi現xian經jing濟ji可ke行xing性xing。

加州大學伯克利分校的 Shannon Boettcher 團隊正在研發一種采用離子導電聚合物的新型電解技術，有望大幅降低成本。但迄今為止

，這類係統的穩定性仍不足——電極容易快速降解。Boettcher 團隊如今重新設計了電解槽，使電極在運行過程中免受降解影響。

Boettcher 表示：“如果這種技術最終能夠真正運行，不難想象電解槽成本會降低 5 到 10 倍。這將使我們能夠將它們作為電網的靈活負載，利用低價電力生產氫氣。”電解槽能夠將太陽能或風能在峰值產出時的過剩電力轉化為氫氣
，以備工業使用甚至季節性儲能。“我們正在努力開發能夠利用這些間歇性電力的電化學製氫技術。”Boettcher 說道。

該研究成果已於 10 月 16 日發表於《Science》。

為何電極會失效
？

Boettcher 解釋說
，聚合物電極的降解發生在電極從氫氧根離子（OH⁻）中提取電子生成氧氣的過程中。當聚合物本身失去電子時，會發生氧化降解，這是這類電解技術商業化的主要障礙。

盡管該團隊專注解決這一問題的研究獲得了美國能源部（DOE）的資助，但該項目的資金在近期停擺中被突然終止。伯克利方麵正對 DOE 的決定提出質疑。

Boettcher 表示，目前主要有兩類可商業化的電解水製氫設備。第一類是液堿電解（liquid alkaline electrolysis）
，其電解質是一種高溫、強腐蝕性的堿性溶液
，類似於用於疏通下水道的管道疏通劑（如 Drano）。電極浸泡在這種液態電解液中

，並依靠多孔陶瓷隔膜來分隔生成的氫氣和氧氣。盡管這種電解方式效率較高、並正在中國大規模推廣，但 Drano 類似的高腐蝕電解液使維護變得困難，而且陶瓷隔膜在高產氫速率或間歇性運行時性能不佳。第二類是較新的質子交換膜（PEM）電解槽（proton exchange membrane electrolyzer）。這種裝置使用酸性、可導離子的有機聚合物膜作為電解質
，同時也用於分隔氧氣和氫氣。

他解釋道：“zhezhongdianjiecaodeyoushizaiyu，monenggengyouxiaodizuzhiyangqiheqingqixianghuhunhe。nikeyibalianggedianjifangdefeichangjin，zaiyigedianjigaoxiaodichanshengqingqi
，zailingyigedianjigaoxiaodichanshengyangqi，bingqiemobenshenjiuzuoweidianjiezhi——相當於固態鹽溶液，因此你隻需要輸入純水即可運行。”

在這類電解槽中，真正的問題來自電解槽內部的強酸性環境。

“在氧化條件下——也就是電解槽中產氧的條件——強酸幾乎會溶解我們已知的所有金屬。”他解釋道。唯一能夠在這種條件下作為電極材料的，是昂貴的金屬銥（Ir）
；此外
，這類電解槽還必須依賴所謂的“永久化學品”（forever chemicals），即含氟聚合物
，才能保證膜的穩定性。Boettcher 的新技術——陰離子交換膜水電解（AEMWE）——將固體聚合物膜的優勢，與傳統堿性電解（堿液成本低
、效率高）的經濟性和簡易性結合在一起。他說：“你能同時獲得兩種技術的優點——堿性電解的低成本材料優勢，以及膜電解技術的低成本、更高安全性和更少維護需求——但前提是這種技術必須足夠耐用。”

破解降解問題：重點突破陽極

為了應對降解難題
，Boettcher 將研究重點放在最容易受損的陽極（氧化電極）上。陽極帶正電，會從聚合物分子中抽走電子
，從而加速氫氧根離子（OH⁻）對聚合物的腐蝕。

他說：“電池失效的原因之一也類似：發生了不需要的副反應。電池材料中的電子跑去跟電解液反應，引發各種副反應
，導致電池被‘汙染’，最終無法工作。”

借鑒電池領域數十年的研究成果
，Boettcher 團隊提出了一種保護聚合物免受副反應損害的新方法：將廉價的氧化鋯（ZrO₂）無機聚合物混入負責離子傳導
、氣體分隔的有機聚合物中。氧化鋯聚合物會在陽極附近富集
，形成一層“鈍化保護層”
，阻擋有機聚合物與電極發生電子轉移

，從而顯著減少降解。

“我們實現了降解速率降低 100 倍。”他說，“雖然距離真正商業化還有一些距離
，但這是我們迄今找到的最大

、最有效的突破點。”

電極結構與電化學設計

陽極的製備方式為：在鋼絲網（steel mesh）上沉積基於鈷的催化劑
，然後將催化劑和鋼網完全包覆在混合聚合物中。隨後再加入陰極（從水中提取氫離子生成氫氣），最終形成一個“夾心結構"的電極係統。

博伊特徹（Boettcher）教授目前擔任加州大學伯克利分校化學工程係 Theodore Vermeulen 講席教授，他正持續開展相關研究
，以深入理解和提升電極性能
，並消除剩餘的所有降解機製。他也是加州大學伯克利分校電化學科學、工程與技術中心（CESET）的創始主任。他希望，通過改進電解槽和開發新型電池技術，能獲得更多動力
，特別是今年 9 月加州宣布投入 2800 萬美元以加速電化學技術商業化之後。該筆資金由加州能源委員會授予位於海沃德的 Electrochemistry Foundry（電化學鑄造廠）——一家專注於新型電化學技術中試和規模化的私人非營利創新平台，首輪重點放在下一代電池技術。加州大學伯克利分校也通過全新的“電化學學院”（Electrochemistry Academy）推出相關課程，並與該機構合作
，為學生提供實習機會。

“氫的生產、儲存以及運輸都非常昂貴，而且麵臨諸多挑戰。但相關技術的進步令人難以置信。”博伊特徹表示
，“在許多應用領域，電解製氫不依賴補貼即可與化石燃料競爭的時代即將到來。”

該研究由美國能源部資助（DE-EE0011322）。合作者包括：加州大學伯克利分校的侯書進（Shujin Hou）、趙陽（Yang Zhao）、郭敏京（Minkyoung Kwak）


、李錦源（Kelvin Kam-Yun Li）、吳沛堯（Peiyao Wu）、Anthony Ekennia 和 Joelle Frechette，以及伯克利國家實驗室的 Gregory Su

；另外還有來自 Versogen（美國特拉華州一家致力於該技術商業化的公司）
、特拉華大學和斯坦福大學的合作夥伴。

翻譯人：高豐言

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