近年来，能源工程师们积极投身于研发更可持续的发电与电力储存技术。其中，电解器作为一种关键装置，可利用光伏、风力涡轮机等能源技术产生的电力，通过电解过程将水(H₂O)分解成氢气(H₂)和氧气(O₂)。而电解器产生的氢气又能应用于燃料电池，这种无需燃烧就能将氢气化学能转化为电能的装置，可为卡车、公共汽车、叉车等重型车辆提供动力，也能为医院、数据中心等设施提供备用电源。

在众多电解器设计中，许多近期研发的电解器借助质子交换膜(PEM)促使水分解为氢气。质子交换膜能选择性地允许质子(H⁺)通过，同时阻挡气体。研究发现，与目前常用的碱性电解槽相比，PEM电解槽产生的氢气纯度更高。不过，PEM电解槽也存在明显缺点，其成本更高，且需要超纯水，因为杂质(如正离子、负离子和其他污染物)会使设备随时间推移而迅速老化。

为解决这一问题，天津大学和其他机构的研究人员最近制定了一项改进PEM电解器催化剂的策略，使其能够分解不纯净的水。该策略的相关内容发表在《自然能源》杂志的一篇论文中。

论文作者王鲁光、杨玉婷及其同事指出：“PEM电解器通常使用超纯水作为原料，因为给水中的微量污染物，尤其是阳离子杂质，会导致其失效。开发能够承受低纯度水的PEM电解器可以最大限度地减少水预处理、降低维护成本并延长系统寿命。”

在此背景下，研究团队开发了一种微环境pH调节的PEM电解器。它能在电流密度为1.0 A cm⁻²的情况下，在不纯净的(“自来”)水中稳定运行3000多个小时，且保持与使用纯水的最先进PEM电解器相当的性能。

为评估该策略的潜力，王鲁光、杨玉婷和他们的同事将布朗斯台德酸氧化物MoO₃₋ₓ添加到由铂和碳(Pt/C)制成的阴极中。他们发现，当该阴极作为催化剂集成到质子交换膜(PEM)电解器中时，性能得到提升，能够可靠地从纯水中生产氢气，且不会随时间迅速降解。

研究团队还利用结合pH超微电极和扫描电化学显微镜的技术，原位监测了PEM电解槽中的局部pH条件，发现布朗斯台德酸性氧化物可以降低局部pH值。因此，他们将布朗斯台德酸性氧化物MoO₃₋ₓ引入到Pt/C阴极上，创建强酸性微环境，从而增强氢气产生的动力学，抑制阴极上的沉积/沉淀，并抑制膜的降解。

这项研究为PEM电解器的设计开辟了新的可能性，有助于减少对超纯水的依赖，使其在实际环境中更易部署。未来，其他能源工程师可依据该团队的研究成果，开发更多能够可靠地将不纯净水分解成氢气的PEM电解器。

更多信息：Ruguang Wang 等，《利用布朗斯台德酸氧化物改性阴极催化剂层以改善质子交换膜电解器分解不纯水的性能》，《自然·能源》(2025)。