AEM（阴离子交换膜）电解水再科普 - 资讯、资料、信息

AEM水电解是一种新兴的绿色制氢技术。在过去的几年里，许多研究机构都在积极地开发AEMWE，因为它与其他传统的电解技术相比，成本低，性能好。

2011年，首次在期刊上发表了关于AEMWE的文章，之后许多人对AEM开始研究，并为AEMWE的发展做出了贡献。AEM水电解技术类似于传统的碱性水电解。碱性电解与AEM电解的主要区别是在碱性电解中用阴离子交换膜(季铵离子交换膜)代替了传统的隔膜(石棉、PPS等)。AEM水电解有几个优点，例如使用具有成本效益的过渡金属催化剂代替贵金属催化剂，蒸馏水/低浓度碱性溶液(1M KOH)可以代替高浓度(5KOH溶液)作为电解质。AEM尽管具有显著的优势，但AEMWE仍然需要进一步研究/改进MEA的稳定性和电解效率，这对于大规模或商业应用尤为重要。

一、工作原理AEM水电解是一种利用阴离子交换膜的电化学水分解技术。电化学反应由析氢反应(HER)和析氧反应(OER)两个半电池反应组成。最初，在阴极一侧，通过添加两个电子，水分子被还原成氢(H2)和氢氧根离子(OH-)。氢从阴极表面释放出来，羟基离子(OH-)在阳极的正电荷吸引下通过离子交换膜扩散到阳极一侧，而电子则通过外电路传输到阳极。在阳极一侧，氢氧根离子通过失去电子重新结合成水分子和氧。产生的氧从阳极释放出来。AEM水电解的基本原理及半电池反应如下图1所示：

图1：AEM水电解工作原理示意图。

二、AEM电解小室的构成
一般AEM水电解槽组件分别为膜(阴离子交换膜)、电极材料、集流器(GDL/PTL/气体扩散层)、分离板(双极板)、端板。典型的阴离子交换膜是季铵离子交换膜，分别是Sustanion®、Fumasep、Fumatech。常用的正极和负极材料分别是过渡金属基电催化剂，尤其是镍和NiFeCo合金材料。采用泡沫镍/多孔镍网和碳布作为阳极和阴极气体扩散层。双极板和端板分别采用不锈钢和镀镍不锈钢隔板。（可以和上图做对应理解）

三、AEM水电解的研究与开发AEM水电解技术处于千瓦级的发展阶段。在全球范围内，一些研究组织/机构正在积极致力于AEM水电解槽的开发，为了扩大这项技术的商业应用，仍然需要一些创新/改进。主要挑战是有限的稳定性(提高寿命)和高制氢成本（电解槽成本和电耗），为了实现这些目标，需要在经济上解决现有的挑战，以实现市场应用的商业化。

在这个方向上，有研究通过一步共电沉积技术将无定形NiFeOOH电化学集成在活性炭纤维纸(CFP)上，开发了3D析氧电极，并研究了其在1M KOH溶液中的性能。所制备的3D-a-NiFeOOH/N-CFP电极具有较好的电化学性能，在电流密度为10mA/cm2时过电位仅为170 mV, Tafel斜率较小，为39 mV/dec，在1M KOH溶液中稳定性优异，如下图2所示：

图2

所示说明：

(a) 3D-a-NiFeOOH/N-CFP合成过程示意图。

(b)不同合成电极在1 M KOH溶液中扫描速率为1 mV s−1时的LSV曲线。

(d)碱性AEM水电解槽示意图。

(e)在50℃下，3D-a-NiFeOOH/N-CFP和商用Iro2基阳极制备的碱性AEM水电解的电流-电压极化曲线。

(f) a- NiFeOOH /N-CFP电极在电池电压恒定为2.0 V的电解槽中10天的长期稳定性

(g)通过水置换系统计算的实验和理论产氢量(法拉第效率)

这种增强是由于独特的3D结构，增加了活性位点和增强的导电性，有助于提高OER动力学和质量传递特性。此外，Fe掺杂对3D-a-NiFeOOH/N-CFP OER活性的增强起着关键作用。此外，开发的3D-a-NiFeOOH/N-CFP电极在超纯水单电池碱性AEM水电解槽中进行了OER活性研究，并在相似的实验条件下与商业IrO2电极进行了比较。令人印象深刻的是，所开发的3D-a-NiFeOOH/N-CFP电极的电化学性能优于商用IrO2电极（商用IrO2为 2.08 V要高于其电压1.88 V），在工作电流密度为1 A/cm2时，能量效率为80%。此外，在2.0 V恒压下连续240 h研究了长期稳定性，其中制备的3Da-NiFeOOH/N-CFP电极的稳定性保持率为95.6%，超低降解速率为0.15 mA/h，法拉第效率为98.5%。另文献报道了利用电沉积技术在碳纸(CP)衬底上简便快速地合成CuCo-P。首先，优化了Co-P/CP在碱性溶液中的沉积条件并对其进行了研究，所得结果表明，在电流密度为10mA/cm2时，过电位为72 mV，电催化活性可接受。Cu的加入进一步修饰了Co-P的表面性能，包括电子结构，增加了Co-P的活性位点，从而提高了Co-P的电化学性能。改进后的Cu-Co-P1200/CP在电流密度为10mA/cm2时具有59mV的超低过电位和38mV/dec的Tafel斜率，如下图3所示：

图3

所示说明：

(a)析氢（HER）Cu-Co-P1200 / CP电极的极化曲线和不同浓度的Cu2+（铜二价离子） 1M KOH溶液中与扫描速率5mV/s。

(b) Cu2+（铜离子）浓度对过电压的影响在恒定电流密度为10mA/平方厘米。

(c)塔费尔斜率。

(d)电流电压极化治愈单细胞AEM水电解器IrO2 / CP阳极加上如合成Cu10-Co-P1200 / CP电极作为阴极和与商业Pt / c / CP。

此外，合成的Cu-Co-P1200/CP作为阴极电极，以商用IrO2/CP为阳极材料，在单电池AEM水电解槽中进行析氢反应的性能研究，在0.70A /cm2的工作电流密度下，电池电压达到1.9 V，稳定性较好，略低于贵金属基Pt/C/CP@IrO2/CP电极。但这种性能优于文献中非贵金属基电极的性能。另其他研究人员通过调节PH值，采用共沉淀法合成了一种无贵金属的纳米Cu0.5Co2.5O2阳极电催化剂，用于AEM电解，并研究了其在碱性溶液和水电解槽中的性能。在1M KOH溶液中，合成的Cu0.5Co2.5O2电极在10mA/cm2下的过电位为285 mV，电化学性能得到改善。进一步，在活性面积为4.9 cm2的AEM水电解槽作阳极，商用Pt/C作阴极的单电池中，研究了所开发的Cu0.5Co2.5O2电催化剂的性能，在1.8 V，45℃, 1M KOH溶液中，记录电流密度为1.3 A/cm2。此外，在400 mA/cm2的恒定电流密度下进行了100小时的耐久性研究，在100小时的运行中保持了80%的能量效率。

此外，在10 mA/cm2的恒电流密度下表现出2000小时的优异稳定性。另有人开发了基于聚(氟酰-共芳基喷啶)(PFAP)的阴离子交换材料，即膜电解质和粘合剂，在碱性介质下具有高离子电导率和耐久性。采用铂族金属(PGM)催化剂(IrO2和Pt/C)制备的电解液在2V下具有1.68A /cm2的电池性能，KOH为1M，无PGM材料(Ni-Fe)在2.0 V下具有1.62A/cm2的优异电流密度。此外，PGM和无PGM材料在60℃下，在0.5 A/cm2的恒定电流密度下，表现出超过1000小时的优异耐久性，没有任何电压退化。