“我们实现了迄今为止全非贵金属基阴离子交换膜电解水制氢技术实验室规模的最先进水平，并且完全摆脱了传统的铱/铂贵金属催化剂。”西湖大学讲席教授、中国科学院院士孙立成如是说。
不久前，他带领团队提出了一种稳定的阴离子交换膜构建策略，实现了高性能全非贵金属催化剂的阴离子交换膜电解水。在2.0V以及80oC工况条件下，能够实现8A/cm2的电流密度。与此同时，这种无贵金属催化剂的AEM-WE在梯度恒电流测试条件下，可以保持长效运行2400小时以上。
现阶段，AEM的稳定性是限制AEM-WE大规模产业化的主要障碍之一，该研究从根源上解决了AEM中阳离子功能基团的降解问题，极大地提升了AEM的碱性稳定性。同时，这种构筑策略还可以被借鉴到燃料电池、液流电池、金属空气电池等AEM器件的固态电解质研发中，以提高器件的耐久性。研究人员通过耦合全非贵金属的阴阳极催化剂，实现了高效电解水制氢，并展示了其在替代传统贵金属催化剂方面的巨大潜力。
1、极具前景的水电解制氢技术
水电解制氢是获取氢能的重要手段，如果这一过程所需的电力来自可再生能源，则可实现极低的二氧化碳排放。目前全球成熟的电解水制氢技术，主要是碱性电解和PEM电解两种方式，另外固体氧化物电解水制氢、阴离子交换膜电解水制氢正在发展阶段。
其中，PEM制氢是指使用质子交换膜作为固体电解质，并使用纯水作为电解水制氢的原料的制氢过程。PEM电解水制氢技术具有能量转换效率高、反应速度快、产物纯度高等优点，非常适用于可再生能源如风能、太阳能输电的不均匀性、间歇性、波动性。因此在能源存储、燃料电池等领域具有广泛的应用前景。
与碱性电解法相比，PEM电解法的电流密度高，可以在较小的系统中生产氢气；产生的气体无需进行脱碱处理，且分子级微孔的离子膜厚度很小，不易产生氢反渗透。并且PEM型的电解槽内两级室的集电器结构紧密且有弹性，重量仅是相同产氢量的普通电解槽的1/3，零极距，槽内阻小。此外，由于氢气的高压出口，PEM电解装置技术可以直接连接到加油站。
从技术角度考虑，其采用的电解池结构紧凑、体积小、利于快速变载，电解槽效率高、得到的气体纯度高、所需能耗低，更适合可再生能源的波动性，因此，PEM水电解技术被誉为制氢领域极具发展前景的水电解制氢技术之一。目前，该工艺已经发展得非常成熟，可以实现兆瓦级的高效生产。
与此同时，在加工过程中，工作温度在50°C~70°C之间，系统组件中会释放出金属和有机杂质。为实现稳定的氢气生产和PEM系统的经济使用寿命，必须不断将这些杂质降至最低。
因此，PEM工艺中需要高效的水净化系统。
2、离子交换树脂实现高效水处理
针对此需求，特殊化学品公司朗盛在其LewatitUltraPure系列中开发出了可用于PEM电解水处理的特殊离子交换树脂牌号，结合紫外线设计了一种特殊的工艺水处理方法。朗盛推出的LewatitUltraPure1242MD（强碱阴离子交换树脂，SBA）、LewatitUltraPure1212MD（强酸阳离子交换树脂，SAC）和LewatitUltraPure1295MD离子交换树脂，针对该应用进行了优化，以确保低总有机碳（TOC）排放。
目前，朗盛液体净化技术（LPT）业务部门正在与知名气体生产商洽谈，以制定PEM电解厂高效水处理标准。LPT技术市场经理Hans-JuergenWedemeyer解释道：“我们的技术专长与高性能离子交换树脂相结合，为系统的水净化过程提供了支持。初步应用测试结果可模拟工厂条件，并优化使用最先进的LewatitUltraPure离子交换树脂。朗盛因此为可持续的、气候友好型能源供应提供了支持”。
用于净化PEM电解系统工艺用水的三级抛光装置。阴离子交换模块（SBA过滤器，LewatitUltraPure1242MDSBA）、阳离子交换模块（SAC过滤器，LewatitUltraPure1212MDSAC）和混床（LewatitUltraPure1295MD）
3、氢能将驱动PEM需求持续提升
1.双碳背景下，氢能迎发展新机遇。目前碳基能源仍是我国能源结构主体，据BP统计，2021年化石能源消费占比达82.7%，其中煤炭占比高达54.7%。在双碳战略背景下，必须进行能源结构调整，在这过程中，氢能由于不产生二氧化碳和污染物的排放、具备高热值和转化率、能有效提升可再生能源利用率、与电力系统互补协同、以及能有效减少化工生产过程中碳排放，将迎来发展新机遇。
3.质子交换膜是PEM电解槽核心组件，未来需求稳步增长。质子交换膜是PEM电解槽核心组件，受益于电解水高速发展，据我们测算，预计2022-2025年国内PEM制氢对质子交换膜的需求量分别为0.5、1.0、1.7和2.9万平米，2030年将达20.4万平米。
4.氢燃料电池出货高速增长，驱动PEM需求持续提升。燃料电池是氢能利用的主要形式，近年受益于环保监管趋严及政府政策支持，燃料电池出货量不断提升。据沙利文测算，2026年国内氢燃料电池电堆功率需求将达15GW，2022-2026年复合增长率为94.8%。据我们测算，2022-2025年由此带来的质子交换膜的需求量分别为7.5、20.9、37.9、63.6万平米。