在电解水装置的复杂体系里，电解水膜电极堪称最为关键的“心脏”部分。它巧妙集成了

电极与隔膜的双重功能，如同精密仪器的核心枢纽，对电解水反应能否高效开展起着一锤定

音的作用。接下来，让我们深入了解它的奥秘。

　　一、基本构成与作用

　　构成部分

　　电解水膜电极主要由催化剂层、气体扩散层以及隔膜这三大核心板块搭建而成，有时还会配备

支撑体或集流体等辅助结构。各部分就像紧密协作的团队成员，共同驱动着电解水这一电化学过程的运转。

　　作用原理

　　在电解水反应中，膜电极的两侧有着明确分工，一侧担当阳极，另一侧作为阴极。阳极区域负

责发生析氧反应（OER），阴极区域则专注于析氢反应（HER）。隔膜此时发挥关键作用，它一方

面精准分隔阳极产出的氧气与阴极生成的氢气，避免两者混合引发安全风险；另一方面，隔膜承担

着传导特定离子的重任，为电解反应的持续推进提供必要条件。而催化剂层宛如反应的“加速引擎”，

能够显著降低反应的过电位，大大加快反应速率。气体扩散层则像是高效的“运输通道”，助力气

体产物及时扩散排出，并促使反应物（如水分子、离子等）快速向催化剂层输送。

　　二、各组成部分详细介绍

　　催化剂层

　　功能与重要性

　　催化剂层堪称膜电极的“效能核心”，它直接左右着电解水反应的速率与效率。其核心使命是

降低析氢反应（HER）与析氧反应（OER）的过电位，让这些反应能在更低电压下高效运作，从而

大幅削减电能消耗。举例来说，缺乏优质催化剂时，水分解所需的实际电压会远超理论值，致使能

量效率大打折扣；而适配的催化剂能显著扭转这一局面，极大提升电解水制氢的经济性与实用性。

　　常见材料

　　在阴极析氢反应中，贵金属铂（Pt）及其合金凭借超高的催化活性，成为催生氢气的“能手”。

然而，铂的高昂成本严重制约了大规模推广。为此，科研人员积极探寻非贵金属催化剂，像过渡金

属硫化物（如二硫化钼MoS₂）、过渡金属磷化物（如磷化镍Ni₂P）等纷纷进入视野。通过纳米结

构化、复合化等手段对它们进行改性，有望让这些材料成为低成本的得力替代。

　　阳极析氧反应常用铱（Ir）及其氧化物（如IrO₂）、钌（Ru）及其氧化物等贵金属或复合物作为

催化剂，它们对水氧化生成氧气的反应催化效果良好，可有效降低析氧反应过电位。不过，成本问题

依旧突出。因此，二氧化锰MnO₂、氧化钴Co₃O₄等非贵金属氧化物以及钙钛矿型复合氧化物等材料

被深入研究开发，力求在保障催化性能的同时，实现成本的有效控制。

　　气体扩散层

　　功能与重要性

　　气体扩散层身兼两大重任。其一，它要助力气体产物（氢气和氧气）迅速从催化剂层扩散至电解

槽的气相空间并顺利排出，防止气体在电极表面堆积，阻碍后续反应。其二，它需协助电解液中的反

应物（如水分子、离子等）高效传输至催化剂层，确保电极反应“粮草充足”，维持电解水反应稳定

持续进行。实际电解过程中，若气体无法及时疏散，就会覆盖在催化剂表面，减少反应物与催化剂的

接触机会，导致反应速率骤降。

　　常见材料及特性

　　气体扩散层多选用多孔碳材料，例如碳纤维纸、碳布等。这些碳材料具备良好的导电性，能保障

电子在电极内部高效传导；拥有较高的孔隙率，为气体和液体传输打造了丰富通道；还具备适宜的疏

水性，可有效防止电解液过度浸润，确保气体扩散顺畅无阻。

　　隔膜

　　功能与重要性

　　隔膜在电解水膜电极中扮演着“隔离卫士”与“离子导体”的双重角色。它严格分隔阳极和阴极

产生的氢气与氧气，杜绝二者混合引发安全事故（如爆炸等）。同时，隔膜负责传导特定离子，维持

电解液的离子平衡，保障电解反应稳步推进。不同类型的电解水体系适配不同的隔膜材料，隔膜性能

对电解水的效率、安全性等方面影响深远。

　　常见类型及特点

　　质子交换膜常用于质子交换膜电解水，其拥有独特的高分子结构，分子链上带有能传导质子（H⁺）

的官能团，如全氟磺酸膜的磺酸基团–SO₃H。它对质子具有高度选择性，只允许质子通行，精准把控

离子传导路径，确保电解水反应高效有序。该膜能有效分离氢气和氧气，产出高纯度氢气，但其制备

工艺复杂、成本高昂，且对进水水质要求极为严苛。

　　阴离子交换膜应用于阴离子交换膜电解水，其分子结构中含有固定的阳离子基团（如季铵盐基团

等）以及可移动的阴离子（通常为氢氧根离子OH⁻在膜内传导）。它借助静电相互作用实现氢氧根离

子的选择性透过，保障碱性环境下电解水顺利进行。此膜可搭配相对廉价的非贵金属催化剂，对进水

水质要求相对宽松，不过目前部分产品的离子传导率仍有待提升。

　　石棉隔膜常用于碱性电解水，由多孔的天然纤维状硅酸盐矿物加工制成，成本较为低廉，在碱

性电解水体系中具备一定离子传导能力，能较好地分隔氢气和氧气。然而，石棉是已知致癌物，存

在健康与环保隐患，且在离子传导效率和耐用性方面存在一定局限。

　　三、膜电极的制备方法

　　涂覆法

　　涂覆法是将调配好的催化剂墨水（一般是把催化剂粉末分散在合适溶剂与粘结剂中形成的流动

性混合物），通过喷涂、刷涂或丝网印刷等方式，均匀涂覆在气体扩散层或隔膜表面。随后经过

干燥、热压等工艺步骤，促使催化剂层与气体扩散层或隔膜紧密结合，最终成型为膜电极。该方

法操作简便、成本较低，适用于实验室研究与小规模制备，但在控制膜电极的均匀性和稳定性方面

存在一定挑战。

　　热压法

　　热压法需将催化剂层、气体扩散层和隔膜等各层材料按特定顺序叠放整齐，接着在高温高压环境

下进行压制，使各层紧密贴合，形成一体化的膜电极。热压法能增强各层间的结合牢度，有助于提升

膜电极的整体性能与稳定性。不过，该方法对设备要求颇高，工艺参数（如温度、压力、时间等）需

精确调控，否则易对膜电极质量造成不良影响。

　　四、影响膜电极性能的因素

　　催化剂活性与负载量

　　催化剂的活性高低如同反应速率的“油门”，直接决定析氢和析氧反应的快慢。活性越高，相同

条件下反应推进越快，所需过电位越低，电解水效率也就越高。同时，催化剂在电极上的负载量也需

合理权衡，负载量过低，活性位点不足，难以有效促进反应；负载量过高，则会增加成本，还可能引

发催化剂团聚，影响其分散性与活性发挥。

　　气体扩散层的孔隙结构与疏水性

　　气体扩散层的孔隙率大小、孔径分布以及疏水性程度，共同影响着气体和液体的传输效率。适宜

的孔隙结构能确保气体快速扩散、液体顺畅传输，良好的疏水性可防止电解液过度浸湿气体扩散层，

维持气体扩散的顺畅性。一旦孔隙结构不合理或疏水性欠佳，都会给电解水反应带来负面影响。

　　隔膜的离子传导率与稳定性

　　隔膜的离子传导率决定了离子在阴阳极间的迁移速度，进而影响电解水反应的速率与效率。此外，

隔膜在电解水的化学环境（酸性、碱性等）中，必须具备出色的化学稳定性，能够长期使用而不发生

降解、破损等状况。否则，将严重影响膜电极的使用寿命，以及电解水的安全性和稳定性。

　　五、应用与发展趋势

　　应用领域

　　电解水膜电极广泛应用于各类电解水制氢技术，包括质子交换膜电解水、阴离子交换膜电解水、

碱性电解水等。在能源领域（如为燃料电池汽车供应氢气、实现可再生能源储能等）以及化工领域

（如合成氨、加氢精制等工艺的氢气制取）发挥着关键作用，有力推动了清洁能源转型与工业可持续发展。

　　发展趋势

　　在高性能材料研发方面，科研人员持续探索新型催化剂材料，期望其具备更高催化活性与更低成本，

同时研发离子传导性能更优、化学稳定性更强的隔膜材料，并不断改进气体扩散层材料性能，从根源上

提升膜电极的整体实力。

　　制备工艺优化也是重点方向，研究更为精准、高效且可规模化的膜电极制备工艺，提高膜电极质量

的稳定性与一致性，降低制备成本，以契合日益增长的电解水制氢产业需求。

　　随着可再生能源的迅猛发展，膜电极还需更好地适配与太阳能、风能等可再生能源发电系统的耦合应

用，增强对间歇性电源的适应能力，实现更高效的绿色制氢。

　　在膜电极制备环节，声波喷涂技术展现出独特优势。它能精准调控涂层厚度，确保膜电极各部分性

能均匀一致。与传统喷涂方式相比，超声波喷涂可实现更薄、更均匀的涂层效果，这对于提升催化剂层

的催化活性以及隔膜的离子传导性能意义重大。例如，在涂覆催化剂墨水时，超声波的高频振动使墨水

雾化更精细，能够更精准地将催化剂均匀分布在气体扩散层或隔膜表面，优化微观结构，从而大幅提升

膜电极的整体性能。

　　同时，超声波喷涂技术能显著提高材料利用率。传统喷涂过程中，大量材料会因飞溅等原因浪费，

而超声波喷涂利用高频振动让涂料充分雾化，有效减少材料损耗，降低生产成本，尤其适用于大规模

膜电极生产，可显著提升生产效率。