Terobosan terbaru yang dipublikasikan di Nature Energy oleh tim peneliti dari Universitas Tianjin, Universitas New Mexico, Universitas Sun Yat-sen, dan lembaga lainnya telah berhasil mengatasi tantangan kritis elektroliser membran pertukaran proton (PEM) yang memerlukan air ultra-murni． Dengan memperkenalkan oksida asam Brønsted ke dalam lapisan katalis katoda elektroliser PEM， mereka membangun lingkungan mikro yang sangat asam secara lokal， meletakkan fondasi kunci bagi aplikasi hidrogen hijau yang berbiaya rendah dan luas skenarionya．
Latar Belakang Penelitian： Ketergantungan pada Air Ultra-Murni Menjadi Hambatan bagi Promosi Teknologi
Elektroliser PEM adalah teknologi inti untuk produksi hidrogen hijau， tetapi mereka memberlakukan persyaratan kualitas air yang sangat ketat， mengharuskan penggunaan air ultra-murni dengan resistivitas 18 MΩ·cm． Kotoran kation seperti Ca²⁺， Mg²⁺， dan Fe³⁺ dalam air umpan dapat memicu serangkaian masalah： di satu sisi， mereka menembus membran pertukaran proton dan menggantikan ion H⁺ dalam membran， menyebabkan pH lokal di katoda melonjak ke tingkat yang sangat basa， yang menghambat kinetika reaksi evolusi hidrogen dan menyebabkan pengendapan hidroksida， menonaktifkan katalis； di sisi lain， ion seperti Fe³⁺ dapat memulai reaksi Fenton， menghasilkan spesies oksigen reaktif yang mempercepat degradasi membran proton， akhirnya mengakibatkan pensiunnya elektroliser． Hal ini tidak hanya meningkatkan biaya pra-perlakuan air tetapi juga membatasi penerapan di daerah yang kekurangan air．
Strategi Inti： Membangun Lingkungan Mikro yang Sangat Asam Secara Lokal
Menggunakan mikroskopi elektrokimia pemindaian yang dikombinasikan dengan teknologi elektroda ultra-mikro pH， tim peneliti melakukan pemantauan in situ dan menemukan bahwa ketika menggunakan air tidak murni， pH lokal di katoda melonjak menjadi 10，4 pada kepadatan arus 0，5 A·cm⁻²． Untuk mengatasi ini， tim mengusulkan mekanisme "pengaturan pH lokal" dan memilih trioksida molibdenum (MoO₃)， yang menunjukkan keasaman Brønsted terkuat， untuk dimuat ke katalis Pt/C． Mekanisme kerjanya adalah sebagai berikut： didorong oleh potensial katoda， MoO₃ mendorong disosiasi molekul air permukaan dan menjadi terprotonasi membentuk struktur Mo-O-H， kemudian melepaskan ion H⁺ ke dalam lapisan ganda listrik di antarmuka elektroda/elektrolit．Melalui siklus "disosiasi air–protonasi–deprotonasi," lingkungan mikro asam kuat dipertahankan secara in situ di sekitar katalis.
Temuan Inti: Kinerja Unggul dalam Operasi Air Non-Murni
Elektroliser baru yang dilengkapi dengan katalis MoO₃-Pt/C mempertahankan pH katoda lokal yang stabil dalam kisaran asam kuat ２,５–３,５ bahkan dalam air yang mengandung berbagai kation pengotor. Kurva polarisasi menunjukkan bahwa kinerjanya hampir identik dengan elektroliser standar yang beroperasi dalam air murni, dan tetap stabil selama lebih dari １００ jam pada kerapatan arus １,０ A·cm⁻². Uji operasi jangka panjang mengonfirmasi bahwa lingkungan asam kuat secara efektif menekan pengendapan hidroksida dan deposisi logam, menjaga aktivitas katalis.
Keunggulan Utama: Terobosan dalam Perlindungan Membran dan Toleransi Kualitas Air
Uji komparatif mengungkapkan bahwa setelah beroperasi selama １００ jam dalam air yang mengandung Fe³⁺, elektroliser standar menunjukkan tingkat spesies oksigen reaktif yang sangat tinggi dalam efluen dan ion fluorida dari degradasi membran, dengan struktur membran yang rusak dan deposisi Fe pada katoda. Sebaliknya, indikator terkait untuk elektroliser baru hampir identik dengan yang diamati selama operasi dalam air murni, tanpa degradasi membran signifikan atau deposisi Fe. Pengujian air keran yang lebih ketat mengungkapkan bahwa elektroliser standar gagal setelah kurang dari １００ jam operasi dalam air keran, sementara elektroliser baru dapat beroperasi stabil selama lebih dari ３,０００ jam dalam air keran pada kerapatan arus industri １,０ A·cm⁻² dengan hampir tidak ada penurunan kinerja. Dalam uji pergantian "air murni–air keran," tegangan elektroliser baru hanya meningkat sedikit dari １,７１ V menjadi １,７３ V, menunjukkan ketidakterpekaan yang kuat terhadap kualitas air.
Kesimpulan dan Outlook: Pengurangan Biaya dan Peningkatan Efisiensi Mendorong Adopsi Hidrogen Hijau
Dengan menggabungkan oksida asam Brønsted, teknologi ini mencapai tiga efek: mengatasi kenaikan pH, menghambat pengendapan, dan melindungi membran pertukaran proton, membebaskan elektroliser PEM dari ketergantungan pada sistem air ultramurni. Analisis tekno-ekonomi menunjukkan bahwa, dalam skenario pasokan air non-murni, teknologi ini dapat mengurangi biaya hidrogen terlevelisasi sebesar ０,３０%–８,１９%, menghemat puluhan ribu hingga ratusan ribu dolar AS per tahun. Terobosan ini secara signifikan mengurangi investasi infrastruktur serta biaya operasi dan pemeliharaan produksi hidrogen PEM, memberikan solusi yang layak untuk penerapan skala besar teknologi hidrogen hijau di daerah yang kekurangan air.
