综述：阴离子交换膜水电解中干阴极配置的评估：简要综述

《Electrochemical Science Advances》：Assessment of Dry Cathode Configuration in Anion Exchange Membrane Water Electrolysis: A Mini Review

阴离子交换膜水电解（AEMWE）在干阴极配置下简化了水管理并降低系统成本，但需解决膜脱水、氢气 crossover 和催化剂稳定性问题。影响因素包括膜材料（离子交换容量IEC、水 uptake WU）、操作参数（温度、电流密度、电解液流量）和流场设计。研究指出IEC与WU需平衡以优化性能，高电流密度下需注意水扩散和膜化学稳定性，而电解质 crossover 和电压效率受温度、压力及催化剂影响显著。未来需系统研究流场设计、水管理策略及多技术联用。

　　在当前全球能源结构转型的背景下，氢气作为清洁能源载体和储能介质，正逐渐成为实现可持续能源系统的重要组成部分。随着可再生能源的快速发展，水电解技术因其能够将间歇性可再生能源转化为氢气而备受关注。其中，阴离子交换膜水电解（AEMWE）因其结合了质子交换膜水电解（PEMWE）的高纯度氢气产出能力与碱性水电解（AWE）中低成本非贵金属催化剂的优势，成为一种具有前景的电解技术。然而，AEMWE在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其是在阴极采用无液态（干阴极）设计的情况下，其性能受多种因素影响，亟需深入研究和系统优化。

AEMWE的核心在于阴离子交换膜（AEM）的选择与设计。理想中的AEM应具备良好的OH?离子传导能力、机械与热稳定性、适当的水合能力以及化学稳定性。在干阴极配置中，水主要通过AEM从阳极向阴极扩散，从而影响阴极的水合程度和膜的性能。因此，AEM的离子交换容量（IEC）和水合能力（WU）成为决定系统效率和寿命的关键参数。IEC表示单位质量膜中可交换离子的数量，而WU则反映了膜在水合后的质量变化。较高的IEC通常意味着更高的水合能力，从而提升离子传导性，但同时也可能增加膜的膨胀，导致结构不稳定。相反，过低的IEC则可能导致膜干燥，影响反应物的供应，进而降低电解效率。

在实际应用中，AEMWE的性能还受到电解液喂入方式的影响。传统湿式配置中，电解液同时供应至阳极和阴极，从而保证良好的离子传导性和膜湿润状态。然而，这种配置需要复杂的水管理策略，增加了系统的整体成本。相比之下，干阴极配置通过仅在阳极侧供应电解液，简化了水管理，降低了平衡部件的复杂性。但与此同时，由于阴极侧缺乏持续的液态供应，水合不足可能引发膜干燥问题，从而影响反应效率。此外，电解液的浓度、流速和操作条件等参数也会对系统的整体性能产生显著影响。

在操作参数方面，温度是一个至关重要的因素。随着温度的升高，OH?离子的迁移速率加快，催化剂的活性也相应提升，从而降低细胞电压，提高电流密度。然而，高温可能加速膜材料的降解，尤其是在碱性环境中，OH?的亲核特性可能导致聚合物骨架断裂或功能基团被攻击，进而影响膜的化学稳定性。因此，温度的优化需在提升性能与保证膜寿命之间取得平衡。此外，电解液的流速对水的均匀分布和反应物的传输起到关键作用，但目前相关研究仍较为零散，缺乏系统性的分析。

在干阴极配置中，H?的交叉渗透（crossover）问题尤为突出。由于膜的不完全阻隔作用，H?可能从阴极迁移至阳极，导致系统效率下降并可能引发安全风险。H?的交叉渗透不仅与膜的厚度和结构有关，还受到操作条件如电流密度、压力和电解液浓度的影响。研究表明，使用更厚的膜或优化膜的微结构可以有效减少H?交叉渗透，但厚膜可能导致更高的欧姆电阻，从而降低整体效率。因此，开发具有高离子传导性与良好机械性能的新型AEM成为当前研究的重点。

在实际应用中，不同类型的催化剂也对AEMWE的性能产生显著影响。传统PEMWE中，由于酸性环境的限制，必须使用贵金属催化剂，这显著提高了系统的成本。而在AEMWE中，非贵金属催化剂的应用使得成本大幅降低。然而，催化剂的负载量和分布均匀性同样重要，过高的负载可能增加膜的电阻，而过低的负载则可能限制反应速率。此外，催化剂的稳定性也受到操作条件的影响，例如在高电流密度下，催化剂可能因气体泡的覆盖而失效。

AEMWE的系统设计还包括流场结构和双极板（BPP）的选择。流场设计决定了电解液和气体的流动路径，影响水的均匀分布和气体的及时排出。常见的流场类型包括平行、蛇形和交错流，但不同设计对干阴极系统的性能影响尚未有明确结论。此外，BPP的材料选择也需考虑其在碱性环境下的耐腐蚀性与导电性，以确保系统的长期稳定运行。同时，多孔传输层（PTL）在促进离子传输和气体扩散方面发挥重要作用，其材料与结构的选择直接影响反应效率和膜寿命。

在实际应用中，AEMWE的性能评估通常通过极化曲线进行，该曲线反映了电流密度与电压之间的关系，有助于识别不同损失机制，如活化损失、欧姆损失和传质损失。研究显示，随着电流密度的增加，活化损失和传质损失逐渐增大，导致电压显著上升。因此，优化操作参数以减少这些损失成为提升系统效率的关键。此外，干阴极配置下，H?的交叉渗透可能随着压力的增加而加剧，这需要在操作过程中加以控制，以避免潜在的安全风险。

为了进一步提升干阴极AEMWE的性能和稳定性，研究者们提出了多种改进策略。例如，通过使用特定的离子交换膜材料，如含有咪唑??或季铵盐的膜，可以在一定程度上改善离子传导性和化学稳定性。此外，通过调节电解液的浓度和喂入方式，可以优化水的传输效率，减少膜干燥的风险。同时，结合先进的诊断技术，如中子成像、小角度X射线散射（SAXS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR），有助于更深入地理解膜的微观结构和降解机制，从而指导材料设计与系统优化。

在干阴极配置中，系统的长期稳定性仍然是一个挑战。尽管部分研究显示在特定条件下，如使用K?离子作为阳极电解液，可以有效减少膜的降解，但仍然需要更全面的实验数据支持。因此，未来的研究应重点关注干阴极AEMWE的系统优化，包括更系统的实验设计、更广泛的材料测试以及更深入的降解机制分析。通过这些努力，干阴极AEMWE有望成为高效、经济的氢气生产技术，为实现可持续能源体系提供有力支撑。