AEM电解槽研究的总结和展望

在AEMWE单电池性能方面已经取得了很大进展，无PGM的阳极也正在被纳入。AEMWE电池的电流密度j值通常超过1A/cm2，这是大规模应用所需要的，一项长期研究表明，在单电池电压(< 2v)的情况下，AEMWE电池具有较高的耐用性，能持续10000小时。由于使用了许多不同的变量和不一致的评估方法，目前还无法得出关于AEM使用的MEA最有前途的成分的具体结论。然而，能观察到在低浓度碱性电解质而不是纯水条件下运行且配备无PGM阳极的电池具有更高的性能。低浓度碱性电池(1M KOH)与无PGM阳极相结合，在1000 h的测量时间内，表现出了稳定性的提高(观察到电压降解率≤5 μV/h)。MEA组件，特别是催化剂和AEMs的稳定性仍然限制了AEMWEs的广泛应用。为了提高稳定性，关键是要了解使用各种表征技术的降解机制。发展原位表征技术以确定导致聚合物降解的机制，包括在较高温度下的原位研究，将是非常有益的。这包括需要了解催化剂与AEM和AEI之间的相互作用。当在高电流密度j值和Ecell值下操作时，对相对惰性的阳极催化剂的化学和物理变化进行原位鉴定也很有价值。

需要了解Rcell以及Ecell值随时间的变化。许多因素会增加R，包括H2和O2的堵塞、碳酸盐沉积和集电器的腐蚀。可以使用HFR（高频电阻法）在现场测量总的R电池值，但是电阻增加可能来自许多来源，这使得很难但有必要将各种来源解耦。EIS（电化学阻抗谱法）可以深入了解AEM的欧姆电阻，以及监测催化剂层特性（如离子电导率和催化活性）中发生的原位变化。

碱性稳定性(特别是在>60°C下)仍然是AEMs需要关注的问题。通过多尺度分子模拟对不同微相分离结构在分子水平上的系统研究，预测微相分离材料内部的物种输运和水溶剂化，将有助于推动AEM设计领域的发展。过烷基铵很可能继续是研究最多和最稳定的阳离子类别之一，而全碳主链、无芳醚和PBI结构可能继续是研究重点。需要考虑材料的可加工性和成本。需要更广泛和标准化的设备测试。

最活跃和稳定的HER催化剂包括各种类型的Pt - Ni和Pt/C纳米体系。分散良好的纳米PtRu和Ru催化剂也显示出好的前景，尽管需要对后者进行全面的表征，包括对Ru含量的估计和包括间歇条件在内的稳定性研究，因为已知Ru和RuO2在碱性介质中表现出较差的稳定性，且电位较高。后者的大部分进展似乎是通过利用具有n基团和层状结构的高表面积碳载体来实现分散(在<3纳米尺度上)和钌催化剂的嵌入。这种方法，即使用Vulcan XC-72以外的改性碳载体，可能有利于其他催化剂实现更小的粒径(在钼基催化剂的情况下)，并可能避免在电解过程中纳米级催化剂颗粒的团聚。无PGM催化剂的选择，如Ni和Mo的组合显示了一些前景。在镍系催化剂上加入钼可以提高HER活性。但这些Ni-Mo催化剂的本禀活性仍低于Pt/C催化剂的活性，Mo的稳定性有待提高。结果表明，许多无PGM的HER催化剂的粒径比最先进的Pt/C催化剂的粒径要大，这与其较低的内在活性相结合降低了所得催化剂的质量活性。

在高质量活性和低OER起始电位方面最有前途的OER催化剂包括Ni-Fe基催化剂。这些催化剂通常表现为纳米级的特征，以负载颗粒、核壳型结构或高表面积层状结构的含水氧化物，如NiFeOxHy和NiCoFeOxHy。许多Ni-Fe-Co催化剂的活性略高于Ni- Fe催化剂，这可能与Co引入的电导率增加有关。Ni-Fe-Mo基催化剂也有报道；然而，反映真实操作条件下钼的稳定性需要解决。CoCu催化剂在早期的AEMWE单电池研究中引起了人们的兴趣，在Co-氧化物尖晶石晶格中加入Cu被证明可以提高其固有的OER活性。然而，单个AEMWE电池的OER质量活性和性能都不如Ir -氧化物和Ni -Fe基催化剂。这至少部分是由于CoCu催化剂的粒径和尺寸分布较大所致。在酸性电解质中，Ir-氧化物是最先进的OER催化剂，但在碱性介质中，Ir-氧化物的稳定性较差。许多不同形式的Ir-氧化物存在，并且在OER活性和稳定性上观察到有显著的差异。Ir基催化剂的内在OER活性顺序为Ir -金属>非晶IrOx >金红石IrO2，稳定性顺序则相反，为Ir-金属<非晶IrOx <金红石IrO2。在选择基准催化剂时需要更加小心，例如，用于评价新开发催化剂的Ir -氧化物。这包括需要在电催化活性测量前后对基准催化剂进行仔细的物理和电化学表征。在薄层电池和单细胞AEMWE测试中，Ni-Fe和Ni-Co-Fe基催化剂均表现出高于Ir-氧化物的活性。这些Ni-Fe和Ni-Co-Fe基催化剂的稳定性有待证实，但在AEMWE单电池测试中已显示出良好的结果。然而，还需要仔细研究高表面积和含水NiFeOxHy和NiCo FeOxHy催化剂的性能和稳定性，以反映真正的AEMWE条件。对镍铁基催化剂在AEMWE条件下的稳定性和潜在降解机制的研究将进一步推动该技术的发展。

提高阳极催化剂活性和克服催化剂溶解的问题仍然存在。PGM催化剂的金属溶解已经在标准的3电极装置中或使用原位检测技术进行了广泛的研究，但关于无PGM催化剂金属溶解的报道很少。目前还没有关于AEMWE电池中金属溶解的研究。较高的电离密度j值通常应用于MEA（与薄层催化剂评估相比），并且催化剂在薄层设置中与MEA设置中经历的条件不同（例如被水淹）。

由于所用的实验条件不同，很难比较不同催化剂的活性。这些因素包括催化剂的载量、催化剂表面积、测量方法、温度、电解质的纯度和浓度，以及用于催化剂合成的盐的纯度，特别是要考虑到铁杂质。如果样品是高孔隙的，或者用不同的方法来测量ECSA（活性表面积），那么基于几何面积或ECSA归一化的电流密度j值来比较是不可靠的。然而，需要提取所研究催化剂的ECSA相关数据。不幸的是，确定氧化物和/或氧化物覆盖催化剂ECSA值的可靠方法并不存在。然而，可以使用描述良好的电化学方法（如Cdl，Cuupd和从氧化还原反应中提取的电荷值）的组合来确定趋势。

需要使用ICP-MS/OES分析等分析方法更严格地检查催化剂稳定性，以量化催化剂的溶解。应使用统一的方案来评估催化剂活性以及催化剂的稳定性。催化剂稳定性研究还需要包括考虑真实AEMWE条件的测量，例如催化剂在MEA的CL中可能经历的波动变载以及启动和关闭的工况条件。在所有情况下，即对于活性和稳定性测量，需要在测量之前和之后使用电化学方法以及物理表征方法对催化剂进行良好表征。使用稳态测量来提取质量和固有HER和OER信息，并构建有效的Tafel图是非常重要的。目前，文献中报道的HER和OER催化剂存在较大差异，这可能是由于一部分使用了非稳态方法作为极化曲线。

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：AEM电解槽研究的总结和展望