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行业痛点：
随着全球能源结构向低碳化转型，电解水制氢技术作为连接可再生能源与氢能产业的关键纽带，亟待突破规模化应用与成本控制的瓶颈。当前碱性电解水技术存在电流密度低、可再生能源波动适应差等问题，而质子交换膜电解水技术面临高成本痛点。阴离子膜电解水（AEMWE）制氢技术能够显著降低电解槽内阻，提高电流密度和电能利用效率，有效阻隔氢气、氧气渗透，能够满足风光等可再生能源波动工况特点，成为电解制氢的下一代技术。目前国外已经有小规模示范产品，我国在关键材料、电解槽结构设计以及批量化制备上，亟需加大研发力度，尽快实现可量产的高性能AEM膜电极技术，使我国在这一领域保持技术领先，占据先进电解水制氢技术制高点。
解决方案：
针对工业化规模应用与成本控制的双重挑战，氢电转换能源材料团队提出了基于“塑料改性”的技术方案，通过对阴离子交换膜及非贵金属催化剂的微观结构精准调控，构建了从底层材料到系统集成的高价值成果体系。
在膜材料研发上，团队创造性地将“塑料”转化为“高性能AEM”。针对AEMWE亟需量产的需求，选用来源广泛、机械强度高的氟塑料（ETFE）作为基体，利用辐照接枝技术对其进行化学改性。该技术的优势在于无需添加引发剂即可在塑料骨架上精准“嫁接”离子传导通道，且产物纯度高。通过剂量控制，可实现膜性能的“按需定制”，制备出的ETFE-BTMA膜不仅彻底解决了高温强碱下的降解难题，更实现了高电流密度下的稳定运行。这种基于通用塑料的工艺，为我国实现低成本、规模化量产高性能AEM膜提供了工艺高度可控的解决方案。在催化电极设计上，团队以非贵金属体系攻克“高活性与降本”的平衡难题。通过在非贵金属表面原位构筑富含异质界面的NiFe/Ni-S复合结构，显著降低了反应能垒。同时，结合DFT计算精准锁定Ni-RuO2等材料，优化中间体吸附能。这一系列创新使非贵金属催化剂在工业级大电流密度下，表现出比肩甚至超越商用铂、铱材料的活性与稳定性。团队将自研的高性能膜与非贵金属催化剂深度集成，通过研究大面积膜电极的均一化制备工艺，构建了完整的AEMWE电解槽体系。该系统不仅能满足风光等可再生能源的波动工况特点，更在保持低能耗、高产氢效率的同时，实现了卓越的运行耐久性。
氢电转换能源材料团队依托先进内燃动力全国重点实验室、国家储能技术产教融合创新平台（天津大学）以及能源学院的多学科交叉优势，致力于开展关键材料的合成、性能优化及系统集成研究，打造新能源转换与储能领域的创新高地。团队由国际知名教授Guiver与课题负责人尹燕带领，长期专注于新型燃料电池及电解水关键材料的研发，研究内容涵盖膜材料、催化剂的开发，催化层与膜电极的结构设计，以及单电池在典型与极端工况下的性能研究。团队已形成从微观材料设计到宏观器件集成的多尺度研究体系，具备先进的实验条件，取得了一系列具有国际影响力的研究成果。 燃料电池方面，团队致力于在微观尺度上构建高效的离子、气体和水传输通道，以突破离子交换膜燃料电池与水电解器的性能瓶颈。2019年团队在DOI: 10.1039/c9ee03301g的研究中，首次采用磁场辅助技术，成功制备了具有透过平面（Through-plane, TP）定向结构的质子导电膜。该膜通过引入氰亚铁配位聚(4-乙烯基吡啶)（CP4VP）与磷钨酸（PWA）及聚砜（PSf），构建了微孔普鲁士蓝类似物（PBA）骨架，其微孔直径约为5.4 Å，具有“纳米海绵”般的吸水特性，在低湿度和高温条件下表现出优异的质子传导能力与保水性能，为质子交换膜（PEMs）的性能提升提供了新思路。在2022年，团队在DOI: 10.1038/s41560-022-00978-y中进一步拓展研究，通过磁场诱导实现了阴离子交换膜（AEMs）中TP方向的离子传导路径。该膜以顺磁性二茂铁盐为基础，在磁场作用下形成混合价态结构，不仅显著提升了氢氧根离子的传导效率，还增强了膜的碱稳定性和氧化还原稳定性。在95°C碱溶液中运行超过4320小时后，膜的氢氧化物电导率几乎没有衰减。团队在2024年发表的DOI: 10.1016/j.joule.2024.02.011中，进一步将定向结构设计应用于高温阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）中，实现了在120°C和40%相对湿度下稳定运行，并在500 mA cm⁻²的电流密度下，经过500小时的耐久性测试后仅产生3.9%的电压损失，显著提升了AEMFC在高温低湿条件下的实用性与耐久性。近期，团队系统总结了从膜材料设计到电极结构优化的全过程，揭示了从无序到有序的传输通道构建机制，强调了定向结构在提高离子、气体与水的传输效率方面的关键作用。这项工作不仅为下一代高效能源器件（如燃料电池、水电解器）的性能突破提供了理论支撑，也为产业化应用开辟了新的技术路径，成果发表在Electrochemical Energy Reviews, 2026, 9(1):1-46。近年来，团队聚焦氢电转换高效膜电极及关键材料的研究，注重多学科的交叉与融合，在相关领域积累了丰富研究经验，掌握了先进的材料设计、合成、应用方法和先进器件设计开发。
电解水方面，团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了在析氧反应（OER）催化剂研究成果（DOI: doi.org/10.1002/adfm.202516185），提出了一种创新策略，通过稳定金属的低价态并拉伸金属-氧键，打破了传统催化剂中活性与稳定性难以兼顾的瓶颈，开发出在高电流密度下具有优异性能和稳定性的催化剂，为推动高效水电解制氢技术的发展提供了理论支持和实践指导。此外，团队在《Small》期刊上发表了关于自支撑OER电极的论文（doi/10.1002/smll.202508103），通过高速摄像技术首次揭示气泡演化-电极腐蚀动态耦合机制，为开发适应风光电波动特性的高效电解槽阳极提供了全新解决方案。在析氢反应（HER）催化剂方面，团队在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上发表了研究论文（DOI: doi.org/10.1002/anie.202421869）。该研究通过理论计算与实验相结合，开发出一种具有强内建电场效应的新型催化剂材料。其在高电流密度下表现出优异的催化性能和长期稳定性，为设计低成本、高性能的碱性HER催化剂提供了重要参考。在离聚物材料研究方面，团队在《Materials Horizons》期刊上发表了相关成果（DOI: 10.1039/d5mh01791b），提出了一种三维高亲水离聚物材料。该材料通过引入立体刚性骨架和酚羟基侧链，构建了丰富的自由体积和氢键网络，显著提升了其亲水性和结构稳定性，有效解决了阴离子交换膜水电解中“干阴极”模式下的水管理难题，为绿色制氢技术的发展提供了新的路径。近期，团队于《Joule》期刊上发表了一篇综述论文（DOI: 10.1016/j.joule.2025.102215），系统总结了近年来多孔有机框架材料在氢-电转换中的研究进展。综述指出，传统聚合物基离子交换膜在实际应用中仍存在化学与机械降解、对水分和温度波动敏感等问题，而新型多孔有机框架材料因其结构可调、尺寸稳定性好等优势，展现出在调控离子传输行为方面的巨大潜力。这些系列成果体现了天津大学在推动氢能与储能技术融合方面的战略布局和创新能力。
大规模电解水制氢装备、分布式应急储能系统、便携式电子设备等。
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