综述：阴离子交换膜电解水制绿氢研究进展

本文聚焦阴离子交换膜电解水（AEMWE）技术，综述其原理、结构及非贵金属电催化剂（如 Ni、Fe、Co 等过渡金属）的研究进展，分析影响性能的关键因素与工业化挑战，为推动 AEMWE 技术发展提供参考。

　　

阴离子交换膜电解水制绿氢技术研究进展

一、绿氢与电解水技术概述

氢能源作为 “零碳排放” 的可再生能源，在能源结构优化中具有重要地位。电解水制氢因高纯度、无污染特性成为关键技术，其中利用可再生能源发电电解水的 “绿氢” 生产模式，可实现零碳排放，氢纯度达 99.8%。电解水理论分解电压为 1.23 V（25℃，101325 Pa），实际需 2-3 V 克服过电位与欧姆电阻，电池电压由可逆、欧姆、活化、浓差过电位组成。

目前主要电解水技术包括碱性电解水（AWE）、固体氧化物电解（SOEC）、质子交换膜电解（PEMWE）和阴离子交换膜电解（AEMWE）。AEMWE 结合 AWE 低成本与 PEMWE 高动态响应优势，使用非贵金属催化剂与阴离子交换膜（AEM），可在碱性环境下运行，支持纯水电解或碱性电解液，具备高电流密度与快速启停特性，适合波动可再生电源场景。其系统成本有望低于 PEMWE，但目前仍处于工业化初期，面临离子电导率低（约为质子交换膜一半）等挑战。

二、AEMWE 技术原理与结构

AEMWE 基于 AWE 和 PEMWE 发展而来，结构类似 PEM 电解槽，以 AEM 替代质子交换膜实现 OH^-传输。典型工作电压 1.8-2.5 V，采用纯水或碱性溶液为电解液，非贵金属催化剂（如 Ni-Fe、Ni-Mo）。阴极反应为 4H₂O + 4e^- → 2H₂ + 4OH^-（E₀=-0.828 V），阳极反应为 4OH^- → O₂ + 2H₂O + 4e^-（E₀=0.401 V），总反应 2H₂O → 2H₂ + O₂（E₀=1.23 V）。

电解槽核心组件包括 AEM、催化剂层（CL）、气体扩散层（GDL）和双极板（BPP）。AEM 是关键，需具备高机械强度、热稳定性、离子电导率及抗气体渗透能力，其主链结构影响稳定性，离子交换基团（如哌啶、咪唑）影响导电性。近年通过引入聚芳基氟酮、聚芳基哌啶等新材料，优化微相分离结构，提升了膜的碱稳定性与离子传导效率。例如，聚芳基哌啶基 AEM 在 80℃下运行超 1600 小时仍保持良好性能。

三、电极材料与催化剂研究进展

AEMWE 对催化剂要求高活性、稳定性、低过电位及低成本，非贵金属催化剂（如 Ni、Fe、Co 等过渡金属）成为研究重点。

（一）析氧反应（OER）催化剂

OER 涉及复杂 4 电子转移，机制包括吸附物演化（AEM）和晶格氧氧化（LOM）。贵金属催化剂（如 IrO₂、RuO₂）活性高但成本昂贵，非贵金属催化剂成为主流：

1. 金属 / 合金：NiFe 合金通过电沉积原位重构形成 NiFe 氢氧化物，提升催化活性。例如，NiFe/Ni-S 阳极在 500 mA/cm²下电压 1.664 V，稳定运行 400 小时。
2. 氧化物：NiFe₂O₄等尖晶石氧化物通过掺杂 Ti、La 等元素优化结构，Ti-NFO 纳米片催化剂在 KOH 中仅需 230 mV 过电位达 10 mA/cm²，在 AEMWE 中稳定运行 500 小时。
3. 氢氧化物：NiFe 层状双氢氧化物（LDH）通过稀土元素掺杂（如 La）提升稳定性，La-NiFe LDH/NiS/NF 阳极在 1 A/cm²、80℃下电压 1.66 V，优于多数同类催化剂。
4. 磷化物 / 硫化物：Ni-CoP、NiS_x/Ni(OH)₂/NiOOH 等材料通过调控电子结构提升活性，但长期碱稳定性待优化。
5. 金属有机框架（MOF）与多金属氧酸盐（POM）：MOF 衍生氧化物与 POM 蚀刻重构的 NiFe LDH 展现高稳定性，如 B-MOF-Zn-Co 在 AEMWE 中稳定运行超 300 小时。

（二）析氢反应（HER）催化剂

HER 在阴极发生，包括 Volmer、Heyrovsky、Tafel 步骤。贵金属 Pt 及其单原子催化剂活性高，但成本限制应用。非贵金属催化剂：

1. 过渡金属基：Co?S?、Ni?N@W?N?等通过纳米结构设计提升活性，如 Co?S? NS/NF 在 10 mA/cm²下过电位 93 mV，AEMWE 中单电池性能稳定。
2. MOF 与 POM：Pt@Co-NPC 等 MOF 衍生材料结合多孔结构与高活性位点，在碱性电解液中过电位 34 mV，AEMWE 中实现 1.32 A/cm²电流密度。

四、AEMWE 的挑战与未来方向

（一）稳定性挑战

1. 膜材料：传统 AEM 含醚键、亚胺键等易在强碱、高温下断裂，导致结构降解。解决方案包括引入无杂原子刚性扭曲结构、优化离子交换容量（IEC）、合成低吸水溶胀膜等。
2. 催化剂：长期运行中颗粒脱落、表面污染（如苯基氧化产物）及结构重构导致活性下降。通过封装技术、低苯基吸附能催化剂设计提升稳定性。

（二）成本优化

与 PEMWE 竞争需降低成本：扩大生产规模、优化运行参数（如提高电流密度）、利用可再生能源降低电耗、延长设备寿命（提升膜与催化剂稳定性）。

（三）未来研究方向

开发高离子电导率 AEM、新型非贵金属催化剂（如单原子、2D 材料）、优化电解槽结构与系统集成，推动 AEMWE 在绿氢生产中实现规模化应用，助力全球碳中和目标。

五、总结

AEMWE 作为兼具低成本与高效性的电解水技术，在绿氢生产中潜力显著。尽管面临膜稳定性、催化剂耐久性及成本等挑战，随着材料创新与工艺优化，其有望成为能源转型的核心技术之一。未来需进一步深入机制研究，突破关键材料瓶颈，加速工业化进程。