AEM电解水现状和未来关键性能指标以及材料的聚焦和挑战，aem

 

AEM是种新型的电解水制氢技术，人们对其给予厚望，更多是其有机会兼具传统碱性的低成本（不使用PGM）和PEM的高性能。在正式讨论AEM前我们先来看一张来自于IRENA的图表：
 

AEMWE可以使用与碱性液体电解质相同的催化剂。AEMWE的真正挑战是它们的AEM（阴离子交换膜），如下所述。近年来，在众多科学文献中，AEM水电解的概念一直是报道的主题。对该领域过去十年的学术文献(Web of Science)的搜索显示，在AEMs和水电解器AEMs方面的出版物数量显著增加(下图1)，这表明了科研领域对其日益增长的兴趣，这是由于AEMWE技术相对于PEMWE技术的许多优势。

 

图例1说明：AEMs领域的年度出版物数量(来自Web of Science(访问链接29.07.2021))。搜索词: ‘‘Anion exchange membrane’’, ‘‘water’’ and ‘‘electrolysis’’.AEM电解槽在膜界面为碱性的环境下工作，膜界面由阴离子导电聚合物膜构成，称为氢氧化物交换膜(HEM)，或一般的阴离子交换膜(AEM)。一般来说，AEMs是由带有阳离子基团的聚合物主链形成的，阳离子基团具有阴离子导电性和选择性（下图2)。多数文献中引用的用于AEMs的最常见的相关主链是:聚砜型、聚醚酮型、聚醚酰亚胺型、聚醚恶二唑型、聚醚恶二唑型、和聚环氧苯二甲醚型、聚苯二甲醚型、氟化型、聚苯并咪唑型、聚乙烯型、和聚苯乙烯型。

 

 

图例2说明：氢氧根离子通过AEM的传输方案。根据已经研究了一些阳离子化学官能团(下图3)表明，其中大多数涉及N基基团，其中piperidinium和spirocyclic是目前最先进的。除了非N基阳离子基团如膦，磷酸盐，S基官能团如磺和含金属的阴离子导电基团，如钌（II），钴，二茂铁，铜（II），镍（II）和金（II）的配合物已被提及（下图3）。替代阴离子的导电基团也被利用，如胍。
 

 

图例7说明：选取了文献报道的高性能(极化曲线)的AEMWEs。在这些研究中使用了PGM催化剂。液体电解质(除聚合物电解质外)不仅降低了AEM和催化剂层的欧姆电阻，而且改善了反应动力学，进而提高了AEMWE性能。(下图8)
 

AEMWE的一个特殊特性是高工作压力，这给AEMWE的设计带来了独特的挑战。PEM和AEM电解槽的膜和其他组件的机械性能几乎相同，因此，当阴极的氢压力限制在10Bar以下时，无需对电池组件进行设计修改。然而，当氢气在阴极室中被加压时，氢气通过膜的交叉渗透增加需要慎重考虑。AEM（基于碳氢化合物）的氢渗透性通常比其对应的PEM低一个数量级左右。因此，厚度为~28μm的AEM的氢阻隔能力对应于厚度为~175μm的PEM，和更薄的膜可用于AEMWE而非PEMWE，这是AEM用于电解的诸多优点之一。

膜的机械故障可能导致整个装置的故障；因此，膜的耐久性对整个系统设计至关重要。下图10概述了所选AEM的机械性能。通常，AEMWE中使用的AEM需要高杨氏模量、高抗拉强度和高断裂伸长率。这些通常报道特性为AEM在室温下的干卤化物形式，不幸的是，这与AEMWE无关（工作特性为非干式和室温）。催化剂离聚物的较高拉伸强度提高了电极膜的附着力，并减少了电极裂纹的形成，这对器件性能有积极影响。对于AEM，断裂应力＞10MPa、断裂伸长率＞100%和杨氏模量75–400 MPa之间的基准值对于获得坚固的膜至关重要。
 

 图例11说明：AEMs中阳离子官能团的不同降解机理。AEM降解速率受氢氧化碱浓度和温度的影响(下图12)。可以看出:(i)大部分可用数据在0-2000 h范围内，显著低于所需AEMWEs的目标寿命;(ii)当温度从60℃上升到80℃或更高时，降解率增加(下图12)。不幸的是，发表超过5000小时的稳定性测试数据非常少。尽管最近在非原位碱稳定性方面有所改善，但AEM在AEMWE操作中的原位碱稳定性仍然是一个主要问题，这表明可能应该考虑多个单一因素。

 

 

图例12说明：AEMs的非原位碱性稳定性数据。稳定性报告为剩余百分比与稳定性试验时间的比值，在(a) 60℃，(b) 80℃和(c) Z85℃的恒定温度下进行电压、电压、电压和电压测试。 原位长期测试无法充分模拟AEMWE的无电解质环境，导致降解率出现错误或误导性指示。这两种效应的结合解释了阴离子导电离聚物如何在碱性溶液原位稳定性测试中“稳定”，但在操作过程中迅速降解。最近提出了一种新的原位技术，用于在模拟操作电解槽环境和新的稳定阳离子基团的条件下测量AEM降解。关于主链的耐久性，Mohanty等人表明，重复单元中的芳醚键在碱性溶液中的化学稳定性较差；没有芳醚键的主链[例如，聚联苯亚烷基和聚苯乙烯嵌段共聚物]能保持稳定。AEM的主链退化可能由阳离子官能团的类型触发，而阳离子官能团可能由AEM中使用的主链类型破坏稳定。Mller等人最近报道了一种实用且可重复的易位方法，用于测量AEM（主链和官能团之间的相互作用）的真实碱性稳定性，该方法模拟基于操作的AEM设备内最恶劣的环境（结合碱性，温度和受控的水合作用环境）。AEMs需要对溶解氧(DO)保持稳定。DO确实可能促进(分别通过AEMFC中的ORR和AEMWEs中的OER)活性氧(ROS)的形成，这反过来可能降解AEM聚合物。但目前的方法不能合理地模拟运行中的AEMWE环境，需要开发新的方法。总结，尽管目前针对AEM（阴离子交换膜本身）存在很多障碍，但是全球范围内也收集到了不少积极的信息，他们宣称他们的AEM有了更好的耐久性，甚至超过万级小时以上的耐久性。无论如何，我们还是要给予一个新技术、新产品市场验证的机会，如果真的能在AEM膜的耐久性上有较大的突破，那么我们的绿氢方案就会更多一种选择！ 

原文始发于微信公众号（氢眼所见）：AEM电解水现状和未来关键性能指标以及材料的聚焦和挑战