AEM電解槽研究的總結和展望

在AEMWE單電池性能方面已經取得了很大進展，無PGM的陽極也正在被納入。AEMWE電池的電流密度j值通常超過1A/cm2，這是大規模應用所需要的，一項長期研究表明，在單電池電壓(< 2v)的情況下，AEMWE電池具有較高的耐用性，能持續10000小時。由于使用了許多不同的變量和不一致的評估方法，目前還無法得出關于AEM使用的MEA最有前途的成分的具體結論。然而，能觀察到在低濃度堿性電解質而不是純水條件下運行且配備無PGM陽極的電池具有更高的性能。低濃度堿性電池(1M KOH)與無PGM陽極相結合，在1000 h的測量時間內，表現出了穩定性的提高(觀察到電壓降解率≤5 μV/h)。MEA組件，特別是催化劑和AEMs的穩定性仍然限制了AEMWEs的廣泛應用。為了提高穩定性，關鍵是要了解使用各種表征技術的降解機制。發展原位表征技術以確定導致聚合物降解的機制，包括在較高溫度下的原位研究，將是非常有益的。這包括需要了解催化劑與AEM和AEI之間的相互作用。當在高電流密度j值和Ecell值下操作時，對相對惰性的陽極催化劑的化學和物理變化進行原位鑒定也很有價值。

需要了解Rcell以及Ecell值隨時間的變化。許多因素會增加R，包括H2和O2的堵塞、碳酸鹽沉積和集電器的腐蝕。可以使用HFR（高頻電阻法）在現場測量總的R電池值，但是電阻增加可能來自許多來源，這使得很難但有必要將各種來源解耦。EIS（電化學阻抗譜法）可以深入了解AEM的歐姆電阻，以及監測催化劑層特性（如離子電導率和催化活性）中發生的原位變化。

堿性穩定性(特別是在>60°C下)仍然是AEMs需要關注的問題。通過多尺度分子模擬對不同微相分離結構在分子水平上的系統研究，預測微相分離材料內部的物種輸運和水溶劑化，將有助于推動AEM設計領域的發展。過烷基銨很可能繼續是研究最多和最穩定的陽離子類別之一，而全碳主鏈、無芳醚和PBI結構可能繼續是研究重點。需要考慮材料的可加工性和成本。需要更廣泛和標準化的設備測試。

最活躍和穩定的HER催化劑包括各種類型的Pt - Ni和Pt/C納米體系。分散良好的納米PtRu和Ru催化劑也顯示出好的前景，盡管需要對后者進行全面的表征，包括對Ru含量的估計和包括間歇條件在內的穩定性研究，因為已知Ru和RuO2在堿性介質中表現出較差的穩定性，且電位較高。后者的大部分進展似乎是通過利用具有n基團和層狀結構的高表面積碳載體來實現分散(在<3納米尺度上)和釕催化劑的嵌入。這種方法，即使用Vulcan XC-72以外的改性碳載體，可能有利于其他催化劑實現更小的粒徑(在鉬基催化劑的情況下)，并可能避免在電解過程中納米級催化劑顆粒的團聚。無PGM催化劑的選擇，如Ni和Mo的組合顯示了一些前景。在鎳系催化劑上加入鉬可以提高HER活性。但這些Ni-Mo催化劑的本稟活性仍低于Pt/C催化劑的活性，Mo的穩定性有待提高。結果表明，許多無PGM的HER催化劑的粒徑比最先進的Pt/C催化劑的粒徑要大，這與其較低的內在活性相結合降低了所得催化劑的質量活性。

在高質量活性和低OER起始電位方面最有前途的OER催化劑包括Ni-Fe基催化劑。這些催化劑通常表現為納米級的特征，以負載顆粒、核殼型結構或高表面積層狀結構的含水氧化物，如NiFeOxHy和NiCoFeOxHy。許多Ni-Fe-Co催化劑的活性略高于Ni- Fe催化劑，這可能與Co引入的電導率增加有關。Ni-Fe-Mo基催化劑也有報道；然而，反映真實操作條件下鉬的穩定性需要解決。CoCu催化劑在早期的AEMWE單電池研究中引起了人們的興趣，在Co-氧化物尖晶石晶格中加入Cu被證明可以提高其固有的OER活性。然而，單個AEMWE電池的OER質量活性和性能都不如Ir -氧化物和Ni -Fe基催化劑。這至少部分是由于CoCu催化劑的粒徑和尺寸分布較大所致。在酸性電解質中，Ir-氧化物是最先進的OER催化劑，但在堿性介質中，Ir-氧化物的穩定性較差。許多不同形式的Ir-氧化物存在，并且在OER活性和穩定性上觀察到有顯著的差異。Ir基催化劑的內在OER活性順序為Ir -金屬>非晶IrOx >金紅石IrO2，穩定性順序則相反，為Ir-金屬<非晶IrOx <金紅石IrO2。在選擇基準催化劑時需要更加小心，例如，用于評價新開發催化劑的Ir -氧化物。這包括需要在電催化活性測量前后對基準催化劑進行仔細的物理和電化學表征。在薄層電池和單細胞AEMWE測試中，Ni-Fe和Ni-Co-Fe基催化劑均表現出高于Ir-氧化物的活性。這些Ni-Fe和Ni-Co-Fe基催化劑的穩定性有待證實，但在AEMWE單電池測試中已顯示出良好的結果。然而，還需要仔細研究高表面積和含水NiFeOxHy和NiCo FeOxHy催化劑的性能和穩定性，以反映真正的AEMWE條件。對鎳鐵基催化劑在AEMWE條件下的穩定性和潛在降解機制的研究將進一步推動該技術的發展。

提高陽極催化劑活性和克服催化劑溶解的問題仍然存在。PGM催化劑的金屬溶解已經在標準的3電極裝置中或使用原位檢測技術進行了廣泛的研究，但關于無PGM催化劑金屬溶解的報道很少。目前還沒有關于AEMWE電池中金屬溶解的研究。較高的電離密度j值通常應用于MEA（與薄層催化劑評估相比），并且催化劑在薄層設置中與MEA設置中經歷的條件不同（例如被水淹）。

由于所用的實驗條件不同，很難比較不同催化劑的活性。這些因素包括催化劑的載量、催化劑表面積、測量方法、溫度、電解質的純度和濃度，以及用于催化劑合成的鹽的純度，特別是要考慮到鐵雜質。如果樣品是高孔隙的，或者用不同的方法來測量ECSA（活性表面積），那么基于幾何面積或ECSA歸一化的電流密度j值來比較是不可靠的。然而，需要提取所研究催化劑的ECSA相關數據。不幸的是，確定氧化物和/或氧化物覆蓋催化劑ECSA值的可靠方法并不存在。然而，可以使用描述良好的電化學方法（如Cdl，Cuupd和從氧化還原反應中提取的電荷值）的組合來確定趨勢。

需要使用ICP-MS/OES分析等分析方法更嚴格地檢查催化劑穩定性，以量化催化劑的溶解。應使用統一的方案來評估催化劑活性以及催化劑的穩定性。催化劑穩定性研究還需要包括考慮真實AEMWE條件的測量，例如催化劑在MEA的CL中可能經歷的波動變載以及啟動和關閉的工況條件。在所有情況下，即對于活性和穩定性測量，需要在測量之前和之后使用電化學方法以及物理表征方法對催化劑進行良好表征。使用穩態測量來提取質量和固有HER和OER信息，并構建有效的Tafel圖是非常重要的。目前，文獻中報道的HER和OER催化劑存在較大差異，這可能是由于一部分使用了非穩態方法作為極化曲線。

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