电解水催化剂涂层膜（CCM）研究进展综述
1 背景与研究动机
全球气候变暖与极端天气事件频发，推动全球能源体系向低碳化、可持续化转型。氢气作为一种零碳排放的二次能源载体，凭借能量密度高、应用场景灵活等优势，成为破解工业、交通等领域碳排放难题的关键抓手。水电解（WE）技术因可直接利用风电、光伏等可再生能源电力实现“绿氢”制备，被视为未来氢能产业发展的核心支撑技术，相关材料与工艺的创新研究已成为能源领域的热点方向。
2 水电解技术体系及核心部件构成
2.1 水电解技术分类
水电解技术通过电能驱动水分子发生氧化还原反应生成氢气与氧气，依据电解质形态及传导离子类型的差异，主流技术路径可分为四类：碱性水电解（AWE）、质子交换膜水电解（PEMWE）、阴离子交换膜水电解（AEMWE）及固体氧化物电解（SOE）。其中，AWE技术成熟度最高但装置体积大、响应速度慢；PEMWE与AEMWE因具备高电流密度、紧凑结构等优势更适配可再生能源波动特性；SOE则适合与高温工业余热耦合，能量利用效率突出。
2.2 电解槽核心构成
以应用前景广阔的PEMWE与AEMWE为例，其核心反应单元均围绕膜电极组件（MEA）构建，而MEA的制备工艺直接决定电解槽性能。目前主流制备工艺分为两类：催化剂涂层膜（CCM，即催化剂直接负载于离子膜表面）与催化剂涂层基底（CCS，即催化剂先沉积于多孔基底）。相较于CCS工艺，CCM技术在界面优化、传质强化方面更具潜力，本文将重点围绕CCM技术的研究进展展开系统论述。
3 催化剂涂层膜（CCM）技术核心研究
CCM作为水电解MEA的核心功能单元，其性能直接决定电解槽的能量转化效率、稳定性与使用寿命，相关研究已形成涵盖制备工艺、结构设计、性能调控、失效机制的完整体系。本文从材料创新、工艺优化与系统整合视角，全面梳理CCM在水电解领域的应用研究成果。
3.1 制备工艺体系及影响因素
CCM的标准化制备流程包括基底预处理、催化剂墨水配制、涂层成型、干燥固化及性能表征五大环节。其中催化剂墨水的分散稳定性（涉及溶剂体系、粘结剂比例、分散工艺）、涂层方式的精准控制是核心技术难点。当前主流制备方法各有特性：喷墨打印技术可实现催化剂的数字化精准沉积，适合实验室小批量定制；丝网印刷工艺重复性好，更适配中试规模生产；辊涂、刮涂等涂布法效率高，但涂层均匀性控制难度较大。不同制备路径通过影响催化剂负载量、粒径分布及膜/催化剂界面结合状态，对CCM最终性能产生显著影响。
超声波喷涂是CCM制备的高效创新技术，通过20-120kHz高频振动将催化剂墨水雾化成10-50μm均一液滴，经载气精准沉积于离子膜表面。该技术对墨水黏度（≤30cps）、固含量（20-30%）有明确适配要求，需提前过滤除杂与脱气处理。其涂层均匀度超95%，厚度可控20nm-100μm，原料利用率达90%以上，温和工艺可避免膜损伤。在PEMWE与AEMWE中均适用，能强化催化剂分散性与膜界面结合，降低接触电阻，适配非贵金属催化剂，为CCM规模化生产提供支撑。
3.2 物理结构与界面特性分析
CCM的核心优势在于通过催化剂层与离子膜的直接复合，显著提升催化剂分散均匀性，减少界面接触电阻，从而强化MEA的电荷传递效率。目前主流表征手段包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）用于观察催化剂颗粒形貌及分布状态；原子力显微镜（AFM）可分析膜表面粗糙度与涂层附着力；X射线衍射（XRD）与X射线光电子能谱（XPS）则用于解析催化剂晶体结构及元素价态，为结构优化提供理论依据。
3.3 电化学性能评估方法
CCM的电化学性能评估以核心功能指标为导向，形成标准化测试体系：通过极化曲线测试获取不同电流密度下的槽电压，直观反映能量转化效率；借助电化学阻抗谱（EIS）解析欧姆电阻、电荷转移电阻及传质阻抗的构成比例，定位性能瓶颈；结合计时电流法与计时电位法可评估CCM在长期运行中的稳定性，为耐久性优化提供数据支撑。
4 基于CCM工艺的MEA制备实践
现有研究已形成针对AEMWE与PEMWE体系的CCM-MEA制备技术体系，相关案例研究聚焦材料匹配性与工艺适配性。在PEMWE体系中，CCM制备需重点解决全氟质子膜与贵金属催化剂的界面相容性，通过引入质子传导性粘结剂提升界面稳定性；而AEMWE体系则面临碱性环境下催化剂团聚与膜降解问题，研究多围绕非贵金属催化剂（如过渡金属氧化物）与阴离子交换膜的协同设计展开。不同催化剂类型（贵金属/非贵金属）、膜材料特性及涂层工艺参数的组合，形成了多元化的MEA制备方案，为特定场景应用提供技术支撑。
5 电解槽性能调控：关键影响因素与优化策略
5.1 核心性能影响因素
电解槽的综合性能由多维度因素协同决定：催化剂的本征活性与稳定性直接影响反应动力学；离子膜的离子传导率、机械强度及化学耐久性是核心支撑；CCM与扩散层的界面结合状态决定电荷与物质传输效率；系统水热管理与气体排出设计则影响传质过程与运行安全性；电解槽结构设计与系统集成水平最终决定设备的规模化应用潜力。
5.2 性能提升技术策略
针对上述关键因素，当前优化策略已形成“材料-工艺-系统”的全链条体系：催化剂层面通过纳米结构调控与合金化设计提升活性并降低贵金属用量；膜材料领域聚焦离子传导通道优化与抗降解改性；CCM制备中引入界面功能层强化膜/催化剂结合；工程层面通过流场结构创新与智能水热管理系统提升传质效率；运行过程中通过参数优化实现不同工况下的高效稳定运行。
6 CCM技术面临的核心挑战
尽管CCM技术已取得显著进展，但在实际应用中仍面临极化行为劣化与性能重现性差两大核心问题，其内在机理与调控策略需深入解析。
6.1 极化行为劣化的作用机理
长期运行中CCM极化损耗增加的核心原因包括四方面：一是催化剂层在强氧化/还原环境下发生溶解、团聚或相变，导致活性表面积缩减；二是离子膜在高温、高电位下发生化学降解（如PEMWE中膜的羟基自由基攻击），出现厚度减薄与针孔缺陷，引发气体交叉与电阻升高；三是膜与催化剂层界面因热应力或化学侵蚀出现剥离，增加电荷转移电阻，同时导致电流分布不均形成局部热点，加剧性能衰减；四是气体扩散层孔道堵塞或水管理失衡导致气体排出受阻，产生传质限制，进一步恶化极化特性。其中，扩散层结构优化与动态水热管理系统设计是解决该问题的关键突破口。
6.2 性能重现性差的关键诱因
CCM性能一致性问题主要源于制备与运行全流程的参数波动：在制造环节，催化剂负载量的微小偏差、涂层厚度的不均匀性及膜基材的批次差异均会导致基础性能波动；运行过程中，催化剂的非均匀降解与杂质吸附会放大性能差异；材料层面，离子膜的离子交换容量、机械强度等指标的批次稳定性不足，进一步加剧性能离散性。值得注意的是，膜与催化剂层之间的界面相互作用稳定性，是决定CCM长期性能一致性的核心因素，需通过材料匹配性设计与制备工艺标准化实现精准调控。
7 结论与未来展望
本文系统综述了催化剂涂层膜（CCM）在水电解领域的研究进展，明确其作为绿氢制备核心技术的战略地位。研究表明，CCM的性能优化需依托制备工艺创新、材料体系协同与系统集成优化的多维度融合，通过精准调控催化剂层结构、膜/催化剂界面特性及传质路径，实现电解槽能量效率与耐久性的同步提升。
未来CCM技术的发展需聚焦四大重点方向：一是开发高效非贵金属催化剂与抗降解膜材料，突破资源依赖与成本瓶颈；二是探索原子层沉积、三维打印等先进制造技术，实现CCM纳米结构的精准调控与规模化制备；三是建立全生命周期性能监测体系，结合原位表征技术揭示降解机制，开发自适应运行调控策略；四是推动CCM电解槽与可再生能源系统的深度耦合，构建应对电力波动的智能控制系统。随着这些关键技术的突破，CCM技术有望加速从实验室研发走向工业化应用，为氢经济发展提供核心支撑，助力实现全球能源低碳转型目标。
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