隨著全球積極採用清潔能源解決方案，氫能已成為從重工業到長途運輸去碳化的重要候選者。在各種生產方法中，質子交換膜水電解 (PEMWE) 以僅使用水和電力生成高純度氫氣而脫穎而出。然而，PEMWE 仍面臨因依賴稀有且昂貴的金屬如鉑和銥而造成的高成本瓶頸。
韓國研究人員可能已找到解決方案。由 KAIST 的金熙卓教授領導，並與韓國能源研究院 (KIER) 的都基洙博士合作，該團隊開發了一種新方法，能在無鉑塗層的情況下實現高效的 PEMWE 性能。這一成果有望顯著降低生產成本，並加速全球氫能的採用。
PEMWE 系統的潛在弱點
PEMWE 電池使用銥氧化物 (IrOx) 作為催化劑來驅動氧的演變反應。雖然 IrOx 活性高，但在沒有鉑的情況下，性能無法達到最佳。研究團隊發現，電子傳輸不良是由於電極界面內的結構問題所致。他們確定了一個關鍵問題，即所謂的“夾斷”效應，這種情況發生在 IrOx 催化劑、離子導體（固體電解質）和鈦基材相接觸的地方。
離子導體雖然對於導電至關重要，但在小型催化劑顆粒周圍卻充當電絕緣體。而當離子導體接觸鈦基材時，會在氧化層上形成屏障，進一步降低導電性。
增大催化劑顆粒的解決方案
為了解決這一問題，研究人員改變了一個變量：顆粒大小。他們製造了不同直徑的 IrOx 催化劑，並使用真實的 PEMWE 單電池和計算模擬進行評估。結果令人矚目。
直徑超過 20 奈米的顆粒創造了更少的夾斷區域，這使得電子能在催化劑和基材之間更自由地傳輸，恢復了性能而無需鉑。這是全球首次證明僅通過顆粒大小即可顯著改善 PEMWE 系統的導電性。
更智能的界面設計
研究團隊並未止步於此，還優化了催化劑層的結構。這一設計減少了離子導體的干擾，同時保持了強大的催化活性，打破了活動性和導電性之間的長期權衡。通過在微觀層面上對界面進行工程設計，他們實現了高反應性和低電阻，即便在無鉑的情況下也是如此。
這項研究展示了一種新的界面設計策略，可以解決界面導電性問題，這曾是高性能水電解技術的一個瓶頸。金教授表示：“通過在不使用昂貴材料如鉑的情況下確保高性能，這將使實現氫經濟更進一步。”
該研究不僅為更便宜的電解系統鋪平了道路，還加強了韓國在全球可持續能源推進中的地位。該研究已發表於《能源與環境科學》。
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