九派观察｜千亿制氢电解槽市场需求激增，电极技术百花齐放
1. ALK电极简介
市场上的2000标准碱性电解槽（ALK）一般由300个堆叠室组成。 相邻的室被极板分开。 每个室从左到右由正负双极板、阳极电极和隔板组成。 它由六部分组成：密封垫片和阴极电极。 其中，电极（阳极电极和阴极电极）是发生电化学反应的场所，也是决定电解槽产氢效率的关键。
电极分为阳极电极和阴极电极。 与阴极相比，阳极形成oo键的活化能垒更高，动力学更慢。 因此，提高阳极析氧反应的催化效率是提高制氢反应效率的关键。 反应速率和寿命是衡量电极质量的重要指标。 电极的反应速率体现在响应电流密度上，即在相同电位下，电流密度越高的电极反应越快，这取决于电极的表面特性和电解质溶液的成分等参数。 电极的寿命体现在使用过程中的衰减率，这取决于基材、催化剂和电极结构的物理性能。
随着水电解制氢产业链快速爆发，碱性电解槽（ALK）制氢规模已增至2000标准立方米及以上。 但大型电解槽尚未得到工业示范工程验证。 目前，碱性电解槽电极在示范应用中遇到了涂层剥落、编织缺陷、残渣堵塞管道、使用寿命有限等诸多棘手问题。 上述问题亟待解决，关键解决方案在于改进电极制备技术、迭代电极基底和催化材料、设计新型电极结构。
2. ALK电极分类
集成电极的制备工艺有多种。 五种主流方法是热喷涂、电沉积、水热/溶剂热、脱合金和热分解。 其中热喷涂是最成熟的制备工艺，目前在行业内大量使用。 电沉积法具有商业前景，目前处于样品交付阶段。 脱合金和热分解方法仍处于实验室阶段。 水热/溶剂热方法等选项还处于早期阶段。
1、热喷涂法
热喷涂的原理是通过高温热源（火焰、电弧、等离子弧等）将材料加热至熔融或半熔融状态，然后通过高速气流将材料雾化，进行喷涂在纯化和粗糙化零件的表面上。 热喷涂制备的电极具有成本低、技术成熟的优点，但其催化活性较低且难以沉积形成纳米结构。
目前制氢电极的热喷涂工艺大多采用等离子喷涂技术。 等离子喷涂热喷涂方法的工艺流程为：工件预处理→选择合适的等离子体→调节电弧功率→供给粉末→调节喷涂距离和喷涂角度→调节喷枪与工件的相对运动速度→基材温度控制。
2. 电镀法
电沉积法的原理是利用电能使电镀液中的金属离子（催化剂）在电位差的作用下移动到阴极进行还原，在基体上形成镀层。 电沉积制备的电极具有反应（合成）周期短、形成的化合物种类丰富、易于形成纳米结构等优点。 但电沉积法控制参数较多，控制困难。
3.水热/溶剂热法
水热/溶剂热法的原理是在特殊的密闭反应器（高压釜）中以水溶液为反应体系。 通过对反应体系进行加热和加压，形成相对高温高压的反应环境，使其通常难以溶解。 或将不溶物溶解并重结晶，用于无机合成和材料加工。 水热/溶剂热法制备的电极具有结合力强的优点，但所需的设备成本较高，工艺条件苛刻，并且会对环境造成一定的污染。
4、脱合金方法
脱合金法是一种制造具有开孔率和大比表面积的三维连续多孔材料的方法。 主要可分为物理脱合金法和化学脱合金法。
(1)化学脱合金法的原理是利用不同金属元素之间的标准电化学势差，选择性地溶解前驱体合金中较活泼的元素，使合金处于不稳定状态，留下较惰性的金属原子。 重新排列成纳米多孔结构。 与物理脱合金法相比，化学脱合金法具有工艺条件简单、成本低、结构稳定、易于调节材料形貌和结构等优点。 然而，化学脱合金方法不能应用于具有类似反应活性的材料，并且对环境有害。 污染比较大。
(2)物理脱合金法的原理是利用不同金属元素之间的饱和蒸气压差，选择性去除前驱体合金中蒸气压较高的元素，形成纳米孔结构。 与化学脱合金法相比，物理脱合金法解决了化学脱合金法不能用于相似反应性材料的限制，具有环境污染少、蒸发元素可回收、应用范围广等优点。 但物理脱合金法的制备过程对工艺条件要求较高，需要在高温、高真空条件下进行。
5、热分解法
热分解法的原理是先在多孔基材表面涂覆一层金属前驱体，然后在高温炉中进行退火处理。 经过多次涂覆和烧结处理，得到稳定的电极。 热分解法已在氯碱工业中得到验证，具有催化剂组成和结构可控、工艺流程简单等优点。 然而，其成本高且难以控制电极的均匀性。
3、电极催化剂：多元合金是重要迭代方向
提高电极电催化效率的关键在于催化剂材料。 根据应用场景分类，催化剂可分为阴极催化剂和阳极催化剂。 电极的阴极和阳极的化学反应不同，阴极和阳极催化剂体系也有一定的差异。 目前市场上：
(1)阴极催化剂通常为多元合金和金属化合物。 从合金成分来看，多元合金主要是镍，还包括3D和4D族中的贵金属、过渡金属或高价金属。 由于引入过多的元素会导致电极的稳定性下降和寿命下降，因此多元合金和化合物中的元素种类数量往往在五种元素以内。 多元合金的成分和比例仍需进一步积极探索。
(2)阳极催化剂多采用镍金属氧化物/氢氧化物。 目前大多数电解池通常采用雷尼镍作为高比表面积的阳极，负载氢氧化镍和羟基氧化镍作为催化材料进行催化。
根据化学性质的不同，催化剂可分为贵金属基催化剂（Pt、Pd、Au、Ag等）、非贵金属基催化剂（Fe、Co、Ni等）和非金属基催化剂。基础催化剂（碳材料等）三大类。 不同的催化剂材料各有优缺点，降本增效是核心迭代趋势。
(1)贵金属催化剂(Pt、Pd、Au、Ag等)。 贵金属催化剂具有高催化活性、耐高温、高抗氧化、高耐腐蚀性等综合优异性能。 但贵金属资源储量小、成本高，且在电催化过程中容易溶解、聚集和中毒。 上述特点限制了贵金属的大规模应用。 目前，一些厂家在电极制备中负载低含量的贵金属，以提高电极的稳定性。 随着降本增效的需要，通过杂原子掺杂、应变工程和单原子催化剂的构建来提高催化活性和减少贵金属负载量是制氢电极用贵金属催化剂研发的重点。
(2)过渡金属催化剂(Ni、Co、Fe、Cu等)。 过渡金属催化剂具有催化活性高、稳定性好、储量丰富、价格低廉等优点，使其成为贵金属催化剂的有效替代品。 目前，过渡金属催化剂在工业上得到广泛应用，其中镍基催化剂是应用最广泛的过渡金属催化剂。 随着降低成本和提高效率的需要，通过合金化、杂原子掺杂或设计复合材料进一步提高催化剂的性能是制氢电极过渡金属催化剂的研究重点。
(3)非金属催化剂(主要是碳基催化剂)。 碳基催化剂具有成本低、效率高、寿命长等优点。 但碳基催化剂存在催化活性差、稳定性差、催化失活等问题。 目前，碳基催化剂仍处于实验室阶段。 通过掺入N、B、S等非金属元素进一步提高碳材料的本征活性是制氢电极碳基催化剂研究的重点。
4、电极基材：镍网、泡沫镍为主流
电极基材分为导电基材和非导电基材。 导电基材主要分为两类：金属基材和碳基材。 （1）金属基材（泡沫金属、金属箔、金属网等），特别是泡沫金属，因其催化活性高、3D大孔结构和良好的导电性而得到广泛应用。 （2）与金属基材相比，碳基材（碳布、碳纸、石墨烯纸等）具有更好的柔韧性和弹性，但其导电性和催化活性较差，目前仍处于实验室阶段。 。 非导电基材（纸张、纺织品、海绵等）成本低廉、柔性好，但仍存在尚未攻克的技术难点，产业化进程相对缓慢，尚未大规模应用规模。
目前，在大型碱性电解槽中，电极基材主要是纯镍网和泡沫镍。 主要原因包括：（1）镍网、镍毡等产品相对成熟，镍网宽度可以满足大型碱水电解制氢设备的应用； (2)镍网的目数和厚度可以更好的控制； (3)镍是过渡金属材料，价格低廉，性价比高。
5、市场规模
随着碱性电解槽的大规模应用，碱性电解槽电极的市场规模预计将持续增长。 据预测，2024-2025年碱性电解槽电极市场规模将分别达到1.195和23.56亿元。 到2030年，碱性电解槽电极市场规模将突破100亿。
6. 竞争格局
国内外众多企业在电解槽电极行业展开竞争。 近年来，围绕催化剂材料和制备工艺的碱性制氢电极创新不断涌现。 各大电极厂商正在加速新型电极的产业验证，推动国内水电解制氢产业快速发展。 国际玩家有迪诺拉、尼尔、霍尼韦尔等，国内玩家有科隆、君纳科技、博世莱、力胜电极等。随着新玩家的增多，市场竞争将越来越激烈，竞争格局将更加多变。 未来市场格局将如何演变还有待观察。