用于质子交换膜水电解的高性能无离聚体气体扩散阴极，铂负载量低

用更少的贵金属将水变成燃料

由水和可再生电力制得的氢气通常被视为重工业、航运和长期能量储存的清洁燃料。但当今用于劈分水的最有效装置依赖大量铂——地球上最稀有且价格昂贵的金属之一。本研究展示了一种方法，使这些装置一侧所用的铂几乎减少一百倍，而不牺牲性能或稳定性，从而将经济可承受的绿色氢气更进一步。

为何减少铂用量至关重要

现代质子交换膜水电解器——将水分解为氢和氧的紧凑装置——工作良好，但严重依赖两种稀有的“贵”金属。氧生成反应在阳极由铱驱动，而氢生成在阴极由铂催化。尽管铂在实验室中是出色的催化剂，但在实际装置中，大量铂被埋在与塑性离子导电粘结剂混合的厚层中。只有一小部分金属同时接触水、气体和膜，这是反应进行所需的。因此，制造商通过增加铂的用量来补偿，导致成本和材料需求都上升。

一种一步到位地精确放置原子的方法

研究人员通过重新思考阴极的构建方式来解决这一问题。他们没有制备液态油墨并将其喷涂到支撑物上，而是使用了一种基于气相的技术——原子层沉积（ALD）。在ALD中，表面交替暴露于含铂蒸气和反应性气体的脉冲中，使铂以微小且分散的纳米颗粒逐层生长。他们将该工艺直接应用于商业气体扩散层——一种允许水和气体流通的多孔碳片——并可选地在其上涂覆一层额外的超薄“微孔层”以平整表面。通过调节ALD循环次数，可以精确控制落在表面的铂原子数量以及颗粒尺寸，达到纳米级的精度。

构建更薄、更智能的阴极层

细致的成像和表面分析证实，ALD方法生成了均匀的铂纳米颗粒，主要位于支撑物的外表面而非深度渗透。尤其在微孔层上，颗粒非常小且分布均匀，在最低金属负载时颗粒尺寸常低于两纳米。由于这层薄而平滑的结构既能与聚合物膜形成良好接触，又保持疏水性，它有助于氢气泡逸出并使新鲜水分持续到达活性位点。在整体电解器电池的电学测试中，这些新阴极即便铂用量极低（约每平方厘米1至5微克），也能匹配甚至超越铂含量高出一百倍以上的商业参比电极的性能。

性能、效率与耐久性

为理解新设计为何表现优异，团队将电池电压分解为反应速率、电阻和气体传输的贡献。他们发现，当铂通过ALD放置在微孔层上时，氢生成反应的速率仍与传统富铂电极相当，尽管金属含量大幅降低。与此同时，更薄且有序的催化区域减少了可能造成能量浪费的气体堆积问题。当研究者以实际铂质量对性能进行归一化时，优势变得显著：他们最佳的无离聚体阴极在质量活性上可达标准商业器件的最多三个数量级，且优于迄今文献中报道的最佳结果。

在现实条件下验证耐久性

只有在装置在长期使用和风能、太阳能典型波动电力下仍保持稳定时，减少铂用量才有意义。因此，团队在高电流下对其最佳电极进行了200小时的测试，相当于工业相关的制氢速率。电池电压基本保持稳定，仅有极微小的衰减。在另一次模拟电力快速波动的测试中——将电池电压在低与高值间循环25,000次——电极同样只显示出微小的性能损失。测试前后的电学测量表明，无论是铂的固有活性还是电池的整体电阻均未发生显著变化。

这对绿色氢气意味着什么

简单来说，这项工作展示了如何“明智地使用每一个原子”。通过将铂精确放在所需位置——位于平滑多孔支撑与膜之间的极薄界面层中，研究人员以大约比现有商业设计减少99.5%的铂用量在阴极实现相同的产氢量。由于ALD工艺可适配卷对卷生产，类似于报纸印刷方式，它为大规模制造提供了现实可行的路径。如果与减少阳极铱用量的平行努力结合，这类进展可能使大规模、高效的绿色氢气生产在技术和经济上都变得可行。

引用: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

关键词: 绿色氢气, 水电解, 铂催化剂, 原子层沉积, 气体扩散电极