碱性膜水电解（AEMWEs）是未来实现低成本高效制氢的一种新技术，也是替代高成本质子膜水电解（PEMWEs）技术的重要途径。然而目前AEMWEs的电流密度以及电池寿命还远低于PEMWEs与商业化的标准。究其原因是：其核心部件——碱性膜（AEMs）与催化剂材料—性能不足以及不合理的电池设计造成。
近日，韩国汉阳大学（Hangyan University）的Young Moo Lee院士团队与韩国科学技术研究院（KIST）利用聚（芳基-哌啶）膜与离聚物（N. J. Chen et al. Nat Commun. 2021, 12, 2367）联合开发了一种高性能的无水阴极（Cathode-dried）型AEMWEs来高效稳定制备高纯度的氢气（图1），并系统探究了膜的水扩散系数与离子传导率、离聚物与催化剂的比例、电池与电极结构以及催化剂种类对Cathode-dried AEMWEs电流密度与电池寿命的影响机制，为高效制氢提供了一种新的高电密、长寿命AEMWEs的设计思路与研究方法。
离聚物的种类与含量对AEMWEs的电极传质具有至关重要的作用，25%的阴极离聚物在Cathode-dried AEMWEs中表现出最优的性能（图2）。
图2. 离聚物含量对PGM AEWEMs电池性能的影响。
具有高水扩散系数以及离子传导率的碱性膜可以显著提高AEMWEs内部水和离子的渗透与传导，从而有效提高AEMWEs的电池性能。开发的贵金属型（PGM）AEMWEs在1 M KOH阳极、80 ℃下，电流密度达到7.68 A cm-2 @2.0 V（图3），该性能为目前AEMWEs报道的最高电流密度（大部分AEMWEs < 4 A cm-2@2.0 V），达到高性能PEMWEs（6 A cm-2@2.0 V）的水平。PGM-AEMWEs电池寿命可以在0.5 A cm-2下运行1000 h。
此外，本文还开发了Ni-Fe非贵金属型（PGM-free）AEMWEs，电流密度可以到达1.6 A cm-2@2.0 V。PGM-free AEMWEs电池可以在0.5 A cm-2的电密下稳定运行1000 h，并没有任何电压衰减（图4）。
图4. Ni-Fe PGM-free AEWEMs的电池寿命。
该论文发表于Energy Environ. Sci.杂志，陈南君博士（Nanjun Chen）与Sae Yane Park为本文的共同一作。
High-performance anion exchange membrane water electrolyzers with a current density of 7.68 A cm-2 and durability of 1000 h
Nanjun Chen#, Sae Yane Baek#, Ju Yeon Lee, Jong Hyeong Park, So Young Lee*, Young Moo Lee*
Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE02642A
https://www.x-mol.com/university/faculty/284079
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