用于阴离子交换膜电解的膜和电极的性能评估

《Journal of Electroanalytical Chemistry》：Performance evaluation of membranes and electrodes for anion exchange membrane electrolysis

在单细胞阴离子交换膜（AEM）电解槽中，通过测试8种商业膜（如FAS-50、PNB-R45、PiperION-80等）和不同催化剂（NiFe?O?、Ir黑、Pt/C）的组件组合，发现PNB-R45膜在60℃、大气压条件下实现最高电流密度1.8 A/cm2（电压2.035 V），且膜厚度与欧姆损失呈负相关。非贵金属催化剂（如NiFe?O?）在阳极与商业Pt/C在阴极的配置中表现出与贵金属相当的活性，验证了低成本催化剂的可行性，但长期耐久性仍需验证。

　　在当前全球能源需求不断上升的背景下，开发高效、经济的氢气生产技术成为研究热点。氢气作为一种清洁的可再生能源载体，具有广阔的应用前景，尤其是在可再生能源存储和减少温室气体排放方面。传统的碱性电解和质子交换膜（PEM）电解技术各有优劣，碱性电解虽然成本较低，但效率和反应速率有限，而PEM电解则依赖昂贵的贵金属催化剂，如铂（Pt）和铱氧化物（IrO?），这限制了其大规模应用。因此，研究者们将目光转向了阴离子交换膜（AEM）电解技术，这是一种融合了碱性和PEM电解优点的新技术，有望在性能和成本之间取得更好的平衡。

AEM电解技术的核心组件包括阴离子交换膜（AEM）和气体扩散电极（GDEs）。AEM的作用是分离阳极和阴极，防止电子转移，并促进氢氧根（OH?）离子的传输。理想的AEM应具备高离子导电性、良好的热化学稳定性以及机械强度。GDEs由气体扩散层（GDL）和催化剂层（CL）组成，其主要功能是催化电化学反应并传输电子、质量和热量。在AEM电解系统中，GDL通常采用碳基材料，而CL则可能使用非贵金属催化剂，如镍铁氧化物（NiFe?O?）或铱黑（Ir black），以降低成本和提高可持续性。

在本研究中，为了评估不同膜和电极对AEM电解系统性能的影响，研究人员测试了多种AEM材料，包括FAS-50、FAS-30、PNB-R45、PNB-R85、PiperION-80、PiperION-40、Sustainion X37–50和PurionX-131。这些膜的厚度从40到85微米不等，研究人员发现，膜的厚度对电解系统的性能有显著影响。通常情况下，较薄的膜具有更低的欧姆损失，从而提升整体效率。然而，较薄的膜在机械强度和化学稳定性方面可能存在劣势，因此需要在性能与耐用性之间找到最佳平衡。研究结果显示，PNB-R45膜表现出最佳性能，其最大电流密度可达1.8 A cm?2，在2.035 V电压下运行，温度为60°C，压力为常压。相比之下，FAS-50膜的性能较差，最大电流密度仅为1.0 A cm?2，在2.04 V下实现。

在电极方面，研究测试了多种非贵金属和贵金属催化剂的组合。在阳极，使用了商业化的NiFe?O?催化剂和自研的NiFe?O?电极，以及铱黑（Ir black）作为非贵金属催化剂。在阴极，采用了商业Pt/C催化剂和基于镍-铁的非贵金属催化剂。研究发现，使用非贵金属催化剂的阳极电极在性能上与商业化的NiFe?O?电极相近，甚至在某些情况下表现更优。这表明，非贵金属催化剂在AEM电解系统中具有可行性，尤其是在降低系统成本方面。然而，阴极使用Pt/C催化剂时，系统的活化损失显著减少，从而提升了整体性能。这说明，在阴极上使用贵金属催化剂仍然具有优势，尤其是在低电流密度下。

为了进一步优化AEM电解系统的性能，研究人员对膜电极组件（MEA）进行了详细的测试和比较。测试条件保持一致，所有实验均在60°C、常压和1 M KOH溶液流动速率110 mL·min?1下进行。通过绘制极化曲线（IV曲线），研究人员能够分析不同膜和电极对系统性能的影响。极化曲线通常分为三个区域：活化区、欧姆区和质量传递区。在活化区，由于反应速率受限，电压损失较大，这主要取决于电极材料的性能。在欧姆区，电压损失主要与膜的导电性和内部电阻有关，而质量传递区则涉及反应物供应不足的问题，通常发生在较高的电压下。

研究结果显示，PNB-R45膜在所有测试中表现最佳，而较薄的膜在欧姆区具有更低的电压损失，这有助于提高系统的整体效率。然而，膜的机械强度和化学稳定性是其应用过程中不可忽视的因素。尽管较薄的膜可能带来更高的性能，但其长期使用中的耐久性仍需进一步验证。此外，非贵金属电极在某些情况下表现出与贵金属电极相当的性能，这为降低AEM电解系统的成本提供了新的思路。但非贵金属催化剂的稳定性和活性仍需优化，以确保其在实际应用中的可靠性。

本研究还发现，不同的电极配置对系统性能有显著影响。在阳极，自研的NiFe?O?电极与商业电极的性能相近，但在高电流密度下略有下降。这可能与电极制备过程中催化剂的沉积不均匀有关，导致膜与电极之间的接触不佳。而在阴极，Pt/C催化剂的使用显著降低了活化损失，提升了系统效率。然而，这种性能提升在高电压下并不明显，表明贵金属催化剂在某些条件下仍具有不可替代的优势。

为了验证这些发现的可靠性，研究人员在不同配置中重复了实验，确保数据的一致性和可重复性。此外，还对某些配置进行了长期测试，以评估其在实际运行中的稳定性。虽然本研究未涉及系统的长期耐用性测试，但指出这将是未来研究的重要方向。AEM电解技术虽然在性能上具有潜力，但其在耐用性方面的不足仍需通过材料优化和工艺改进来解决。

总体而言，本研究为AEM电解技术的发展提供了重要的实验数据和理论依据。通过系统比较不同膜和电极的性能，研究人员不仅揭示了材料选择对系统效率的影响，还为未来的优化方向提供了参考。未来的研究可以进一步探索非贵金属催化剂的改进，以提升其稳定性和活性，同时开发更耐用的AEM材料，以平衡性能与成本。此外，AEM电解系统的设计优化，如流场结构、电极厚度和催化剂负载量，也将在提升系统效率方面发挥关键作用。随着技术的不断进步，AEM电解有望成为一种更加经济、高效的绿色氢能生产方式，为实现可持续能源转型提供有力支持。