一、背景介绍
阴离子交换膜电解水（AEMWE）是一种新兴的、基于膜电极（MEA）设计的低温电解水制氢技术。AEMWE兼具了碱性电解水的经济性（采用非贵金属基催化剂）和质子交换膜（PEM）电解水的快速动态响应特性（采用结构紧凑的MEA模块）的双重优势。尽管如此，目前AEMWE仍然有许多待解决的技术瓶颈，如AEM的离子传输能力弱，热稳定性和化学稳定性尚未达到商业化水平，采用非贵金属基催化剂活性不足，且高温长时间反应过程中，膜电极组件中的催化剂易溶解脱落，导致器件整体的电解性能较差。
针对上述问题，目前的研究主要集中于开发高性能非贵金属催化剂、提升膜稳定性和离子导电性、深入了解AEMWE体系的运行机制等。通过以上研究和改进，AEMWE制氢技术有望为大规模可再生能源电解水制氢带来突破性变革。
为了发展适合AEMWE的高性能电极，开发生长型的多孔传输电极（PTE，即自支撑电极是该领域的热点之一。自支撑电极由多孔传输层和催化层组成，通常不需要离聚物（区别于喷涂的PTE），即催化活性物质直接原位生长在导电基底上。与传统的粉末状催化剂相比，自支撑电极避免使用离聚物，以防止其抑制气泡的扩散和活性位点的暴露。这种结构有效提高了自支撑电极的机械稳定性，保证了活性材料与基底之间的电子转移效率。因此，自支撑电极更适用于高电流密度和长期运行的碱性水电解。
二、多孔传输层类型
AEMWE的条件为中性或弱碱性，阳极多孔传输层通常为镍毡（图1B）或泡沫镍（图1C），尽管它们具有高孔隙率、优良的导电性和高比表面积等优势，但在实际应用中它们也有各自的缺点。一方面，镍毡的加工难度极大，导致其价格几乎与镀铂钛毡（贝卡尔特）相当，高成本是制约其规模化应用的根本原因；而泡沫镍价格相对便宜很多，但机械强度较差，在电解槽组装过程成，很容易发生变形，导致其厚度不可控。
为了解决以上问题，我们借助自主研发的直通孔型多孔传输生产技术，横向拓展开发了高度有序化结构的镍基多孔传输电极（Ni-SP-PTL，图1A），其具有生产成本低、强度大、表面平整、厚度公差小等优势，有望取代传统镍基多孔传输层，为行业带来新的技术突破。
图1 PTL微观形貌（A）直通孔型镍基PTL；（B）镍毡；（C）泡沫镍。(图B, C来自Int J Energy Res. 2022; 46(12): 16670-16678)
三、自主研发的自支撑多孔传输电极（Ni-PTE）
基于Ni-SP-PTL，我们通过简单的化学处理，使其表面覆盖一层催化活性相，开发了新型结构的镍基自支撑多孔传输电极（Ni-PTE）不仅避免了使用阴离子离聚物，还简化了膜电极的制备工艺，并且充分发挥直通孔结构高效传质、低接触电阻的优势，有效提升了电极OER性能。在实际AEM电解槽中（1 mol/L KOH， 60℃ ），Ni-PTE的性能可达2.7 A/cm²@2 V，如图2所示。
Ni-PTE的开发不仅为AEMWE中的电极结构设计开辟了新的可能性，也为该技术的规模化生产和商业化应用提供了强有力的支撑，该技术有望在能源转换和储存领域中发挥关键作用，推动绿色能源技术的发展和应用。
图2. Ni-PTE在AEMWE中性能（60 ℃）
我们也非常欢迎国内外从事AEMWE的研究机构和产业化机构与我们合作，共同开发新一代高性能、低成本、长寿命的AEM电解槽。
动量守恒绿色能源