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迈向实用！胡喜乐团队最新ACS Energy Lett：AEM纯水电解，稳定性长达550 h！

邃瞳科学云

2023-11-08

导读：本研究通过在阳极和阴极处使用合适的离聚物，以及新型析氢反应(HER)催化剂，成功实现仅采用PGM-free电催化剂的纯水体系AEM水电解槽稳定运行。

第一作者：Yiwei Zheng

通讯作者：胡喜乐教授

通讯单位：洛桑联邦理工学院(EPFL)

DOI:10.1021/acsenergylett.3c01866

全文速览

阴离子交换膜水电解槽(AEMWE)作为一种新兴技术，与质子交换膜水电槽(PEMWE)技术相比，其在成本和规模化应用方面具有诸多潜在优势。然而，在纯水中稳定运行的AEMWEs器件仍然采用铂族金属(PGM)催化剂，特别是在阴极处尤为如此。在本文中，通过在阳极和阴极处使用合适的离聚物，以及新型析氢反应(HER)催化剂，成功实现仅采用PGM-free电催化剂的纯水体系AEM水电解槽稳定运行。在1 A/cm²电流密度条件下，所优化的AEMWE可稳定运行超过550 h，电解槽电压为1.82 V。该性能优于此前报道的其它PGM催化剂基AEMWEs。更重要的是，该阴极性能成为纯水体系AEMWE的瓶颈。应用阴极离聚物可以将1 A/cm²电流密度下的电解槽电压降低1.4 V。该研究揭示出离聚物对纯水体系AEMWEs的重要性，并将阴极性能提升确定为进一步探究的关键领域。

背景介绍

为结合碱性水电解(AWE)和质子交换膜水电解(PEMWE)技术的优势，科研人员在过去十年里投入大量的时间和精力用于开发阴离子交换膜水电解(AEMWE)技术。近年来，AEMWE的性能和稳定性已得到显著增强，且其在未来实际应用中的部署也值得深入考虑。例如，在1.0 M KOH电解液和1 A/cm²电流密度下，AEMWE电压可低至1.55–1.7 V。此外，多个课题组已报道在1.0 M KOH电解液中超过500+ h的稳定性，且最近的一项研究表明50 cm² AEMWE在200 mA/cm²电流密度下具有超过8900 h的耐久性。目前，Motealleh团队取得最佳的稳定性，其电解槽在1.0 M KOH电解液和1 A/cm²电流密度下表现出长达11000+ h的稳定性，性能衰减率仅为0.7 μV/h。

尽管碱性电解液体系中的AEMWE技术已得到快速发展，但AEMWE最终应在纯水供给条件下运行。采用纯水而不是碱性电解液，意味着更加简单的配套设施(BOP)，更少的双极板钝化，且没有分流问题。上述优势均可转化为低成本，但目前有关纯水供给AEMWE系统的研究较少。例如，基于PiperION膜和PGM催化剂的AEMWE系统可运行175 h，衰减速率为0.67 mV/h。同样，Hassan等采用铂-镍和铱氧化物作为HER和析氧反应(OER)催化剂，所组装出的AEMWE在纯水供给和1 A/cm²电流密度条件下可运行500 h。Li等开发出一种富铵阴离子交换离聚物(AEI)以提升纯水AEMWE性能，该AEMWE器件基于NiFe-基OER催化剂和PtRu/C作为HER催化剂。然而，在200 mA/cm²稳定性测试期间，该电解槽显示出与其瞬态性能较大的偏差。Wan等采用垂直排列离聚物掺杂FeNi层状双氢氧化物(LDH)纳米片阵列作为OER催化剂以及Pt/C作为HER催化剂，实现500 mA/cm²电流密度下可达180 h的运行稳定性。在上述研究中，均采用Pt/C作为HER催化剂。因此，尽管AEMWE技术的最大优势之一是可以采用PGM-free催化剂，但该优势在纯水AEMWE体系中尚未得到证明，主要是由于缺乏合适的PGM-free HER催化剂。此外，有关离聚物对AEM电解槽性能影响的研究仍然较少。例如，Li等设计出一种聚合物骨架中不含苯基的离聚物，其可产生局部高pH环境用于高效HER和OER过程。Chen等通过研究表明，对于AEMWE的稳定性而言，离聚物的溶胀比膜溶胀更为关键，且减少离聚物溶胀可以有效提升纯水供给AEMWE系统的稳定性。

图文解析

图1. (a)支链聚联苯哌啶(b-PBP)离聚物，(b)Sustainion XB-7和(c)支链聚(三苯基哌啶鎓)(b-PTP) AEM的化学结构。

图2. (a)在1.0 M KOH电解液中的OER极化曲线。(b)在1.0 M KOH电解液中的HER极化曲线。插图为纯碳纸的LSV曲线。

图3. (a)纯水供给PGM-free AEMWEs的极化曲线，显示出离聚物的影响(阳极：自支撑和粉末状NiFeOOH分别含有5 wt%(相对于总催化剂质量)和20 wt%(相对于总催化剂层质量)的b-PBP；阴极：2 wt% b-PBP)。(b)在0.1 A/cm²电流密度下相应的EIS测试。(c)在不同阳极离聚物含量条件下，纯水供给PGM-free AEMWEs的极化曲线。(d)在不同阴极离聚物含量条件下，纯水供给PGM-free AEMWEs的极化曲线。

图4. (a) PGM//PGM, PGM-free//PGM和PGM-free//PGM-free AEMWEs在纯水体系中的极化曲线。(b)在纯水供给条件下，该AEMWE与此前报道其它水电解系统的性能比较(红点代表PGM-free体系，黑点代表含PGM体系)。(c)在1 A/cm²恒定电流密度下的稳定性。

图5. (a)在0.1和0.5 A/cm²电流密度条件下，水中的性能损失分布。(b和c)纯水中AEMWEs的阳极和阴极的iR校正电位。(d)在1 A/cm²电流密度条件下过电位。

总结与展望

总的来说，本文采用PGM-free电催化剂成功实现了可持续的纯水体系AEM水电解过程。研究发现，该PGM-free AEMWEs的性能优于相同条件下的其它PGM基AEMWEs系统。在1 A/cm²电流密度条件下，所优化的AEMWE可稳定运行超过550 h，电解槽电压为1.82 V。上述结果表明，在阳极和阴极处采用合适的离聚物，对于实现高性能的纯水供给AEMWE系统是必不可少的。应用阴极离聚物可以将1 A/cm²电流密度下的电解槽电压降低1.4 V。更重要的是，该阴极性能成为纯水体系AEMWE的瓶颈，因此未来提高纯水供给AEMWE系统性能的研究应集中于阴极。

文献来源

Yiwei Zheng, Ariana Serban, Haoyue Zhang, Nanjun Chen, Fang Song, Xile Hu. Anion Exchange Ionomers Enable Sustained Pure-Water Electrolysis Using Platinum-Group-Metal-Free Electrocatalysts. ACS Energy Lett. 2023. DOI: 10.1021/acsenergylett.3c01866.

文献链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c01866

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