【引言】
随着世界能源和环境问题的日益突出, 人们对能源利用的挑战逐渐由能源的产生转向能源
的储存。而氢能作为一种零排放的能源载体，被认为是未来能量存储的最佳选择之一。电解水制氢作为最有效、可靠的制氢方法之一，可以直接将水转化为氢气而不产生任何污染物。尤其是质子交换膜电解水(PEMWE)技术，采用膜电极作为电池的关键部件，结构紧凑，使用方便。其所用的固体电解质膜厚度一般在25~200 μm之间，H+能够在其内部进行快速迁移到达阴极与外电路转移的电子结合生成氢气，这也允许该水电解池能够在较大的电流密度下工作。除此之外，质子交换膜作为该电解池的气体隔膜和固体电解质，能够有效地分隔氢气和氧气，安全性高，同时也完全避免了由反应池材料腐蚀而造成漏液的危险。但是由于该水电解过程为酸性环境，需要在高的阳极电势和酸性条件下保持其催化活性的催化剂，所以催化层一般选择耐酸碱的贵金属做催化剂（一般阳极催化剂的用量为1~3 mg/cm2，阴极催化剂的用量为0.5~1.0 mg/cm2），这极大的限制了该技术的商业化应用。因此，如何降低贵金属催化剂的负载量，是该技术工业化发展亟待解决的难题。
【成果简介】
本文利用电子束蒸发镀膜技术在质子交换膜（Nafion 117）上制备了极薄的Pt薄膜，得到了超低负载量的Pt催化剂。使用Ir黑作为阳极催化剂，与负载Pt催化剂的质子交换膜及气体扩散层叠放在一起，制成膜电极，并组装成器件进行电解水的性能测试。在负载量为0.00379 mg/cm2时，80 ℃、1.64 V条件下的质量活性可达132 A/mg，比其他方法制备的催化剂高出一个数量级。该方法能够精确控制催化剂的负载量，保证其分散均匀性，并且不引入杂质，可以实现一步制备低负载催化剂。另外，使用商业的非晶硅太阳能电池为该器件提供电能，实现了太阳能-电能-氢能的高效转换，其转化效率达到了8.26%。该方法为制备应用于PEMWE的超低负载量的催化剂，开辟了一条新的道路，同时为PEMWE制氢技术未来的工业化发展带来了巨大的潜力。
【图文导读】
图1 膜电极和PEMWE器件的示意图。
图2 （a、b）镀Pt前后，Nafion膜的粗糙度变化，（c）Nafion膜上不同厚度的Pt的XRD图，（d）镀Pt之后的Nafion膜的mapping图。
图3 不同Pt厚度的膜电极的性能测试结果，（a）LSV图，（b）每个膜电极在1.55V时的EIS图。
图4 Ir-Pt-6 nm膜电极在不同温度下的性能测试结果，（a）LSV图，（b）不同温度下，在1.55V时的EIS图。
图5 电流密度（a）及质量活性（b）与相关文献中的对比。
图6 太阳能电池和该器件串联之后的性能测试结果。
【文章题目】
One-StepFabrication of Ultralow Pt Loading High Efficiency Proton Exchange Membrane forWater Electrolysis by Conventional E-beam Metal Deposition. 刊登于Adv. Sustainable Syst. 2019, 1900026 并被选作封面文章，https://doi.org/10.1002/adsu.201900026
