电极工程优化阴离子交换膜水电解槽的水氧传输机制实现高效稳定制氢

研究人员针对阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）在工业级电流密度和干阴极操作下的耐久性挑战，通过电极结构设计揭示了水反向扩散与氧气传输的调控机制。创新性地采用原位拉曼和操作X射线CT技术，证实催化层近膜区域产生的水梯度可提升膜水合作用，同时开发纳米纤维素纤维（NCF）改性催化剂墨水实现电极规模化制备，使AEMWE在2 A cm?2 下稳定运行1000小时，降解率仅2.3 μV h?1 。该研究为低成本高效制氢技术商业化提供了新思路。

　　

氢能作为未来清洁能源体系的核心载体，其规模化制备技术正面临效率与成本的双重挑战。传统质子交换膜水电解槽（PEMWE）依赖昂贵的铱催化剂，而液态碱水电解槽（LAWE）又存在效率低下问题。阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）虽兼具两者优势，但在工业级电流密度（>1 A cm^?2
）和干阴极操作模式下，膜脱水、气泡积聚等问题严重制约其耐久性。美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究团队通过创新电极设计，揭示了水氧传输调控机制，相关成果发表在能源领域顶级期刊《Joule》上。

研究采用三电极MEA测量、原位拉曼光谱和操作X射线CT等关键技术，系统比较了多孔传输电极（PTE）与裸不锈钢PTL阳极的性能差异。通过25 cm²
规模化电极制备和1000小时耐久性测试验证技术可行性。

【电极结构与进料模式的影响】研究发现，负载Co₃
O₄
催化层的PTE在干阴极模式下表现优异，4 A cm^?2
时电压比PTL阳极低150 mV。高频电阻（HFR）分析显示，催化层产生的OER水（电解水）在膜附近形成高水梯度，促进水反向扩散提升膜水合度。

【阳极阴极极化行为解耦】三电极测试揭示，PTE阳极在干阴极模式下表现出反常的动力学改善。原位拉曼采用pH敏感染料carboxy-Snarf-1证实，电极表面pH可比体相低3个单位，及时移除OER水能维持更碱性环境，降低OER过电位。

【阳极氧分布可视化】操作X射线CT显示，PTE的氧气积聚量比PTL阳极减少30%，证实催化层将氧气生产与传输解耦，有效降低气泡诱导的传输过电位。

【墨水设计与电极性能关联】引入纳米纤维素纤维（NCF）使催化剂墨水粘度提升100倍，粒径分布更均匀。TEM显示NCF纤维网络提供空间位阻，使墨水稳定性延长至2个月。所得电极催化剂层厚度均匀，5 cm²
与25 cm²
电池性能偏差<5%。

【电极规模化与耐久性】25 cm²
电池在2 A cm^?2
下运行1000小时，降解率仅2.3 μV h^?1
。XPS分析发现不锈钢PTL中镍铁比从1:26升至1:1，但阴极沉积的铬未显著影响性能。TEM显示Co₃
O₄
催化剂非晶化可能是性能提升的原因。

该研究首次系统阐明了电极结构对AEMWE水氧传输的调控机制：催化层近膜分布可强化水反向扩散，提升膜水合度；OER水及时移除能优化局部pH环境；NCF改性墨水实现电极规模化制备。这些发现不仅推动AEMWE技术向工业化迈进，其揭示的"电极结构-传输特性-电化学性能"关联规律，也为其他电化学器件设计提供了新范式。值得注意的是，研究中采用的纳米纤维素纤维作为绿色添加剂，展现出替代传统全氟磺酸离聚物的潜力，这对降低电解槽成本具有重要意义。