AEM是種新型的電解水制氫技術，人們對其給予厚望，更多是其有機會兼具傳統堿性的低成本（不使用PGM）和PEM的高性能。在正式討論AEM前我們先來看一張來自于IRENA的圖表：
價格的“Unknown”基本能告訴大家目前其商業化處于的階段了，所以盡管數據看起來不錯，但仍然是未經大量實踐工程驗證的數據，所以我們要給予其走出小中試的機會，盡管當下驗證機的價格不菲。不經歷嚴謹苛刻的工程實踐驗證意味著其距離商業化還有些距離和需要些時間！下面我們來具體討論一下AEM的機遇和挑戰：
一、AEM主要屬性。
AEMWE可以使用與堿性液體電解質相同的催化劑。AEMWE的真正挑戰是它們的AEM（陰離子交換膜），如下所述。
近年來，在眾多科學文獻中，AEM水電解的概念一直是報道的主題。對該領域過去十年的學術文獻(Web of Science)的搜索顯示，在AEMs和水電解器AEMs方面的出版物數量顯著增加(下圖1)，這表明了科研領域對其日益增長的興趣，這是由于AEMWE技術相對于PEMWE技術的許多優勢。
圖例1說明：AEMs領域的年度出版物數量(來自Web of Science(訪問鏈接29.07.2021))。搜索詞:?‘‘Anion exchange membrane’’, ‘‘water’’ and ‘‘electrolysis’’.
AEM電解槽在膜界面為堿性的環境下工作，膜界面由陰離子導電聚合物膜構成，稱為氫氧化物交換膜(HEM)，或一般的陰離子交換膜(AEM)。一般來說，AEMs是由帶有陽離子基團的聚合物主鏈形成的，陽離子基團具有陰離子導電性和選擇性（下圖2)。多數文獻中引用的用于AEMs的最常見的相關主鏈是:聚砜型、聚醚酮型、聚醚酰亞胺型、聚醚惡二唑型、聚醚惡二唑型、和聚環氧苯二甲醚型、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。
根據已經研究了一些陽離子化學官能團(下圖3)表明，其中大多數涉及N基基團，其中piperidinium和spirocyclic是目前最先進的。除了非N基陽離子基團如膦，磷酸鹽，S基官能團如磺和含金屬的陰離子導電基團，如釕（II），鈷，二茂鐵，銅（II），鎳（II）和金（II）的配合物已被提及（下圖3）。替代陰離子的導電基團也被利用，如胍。
圖例3說明：AEMs中具有代表性的陽離子官能團方案。
這些陽離子官能團可以是主鏈的組成部分(例如，基于聚苯并咪唑的聚合物)，也可以以不同的方式連接到聚合物主鏈上(下圖4)。陽離子部分也可以由單陽離子或多陽離子組成，除了超支化陽離子（和懸垂基團），還可以找到其他。
將陽離子官能團合并到AEMs中用于AEMWE(和其他電化學應用)有兩種主要的合成方法：陽離子單體的直接聚合和陽離子官能團在預形成的聚合物主鏈上的后聚合功能化。用于水電解應用的AEM最重要的性能特征是氫氧化物導電性（理想情況下為＞100 mS/cm）和水的流動性，兩者之間直接相關。Zheng等人總結了在浸沒在液態水中（例如，不接觸水蒸氣）的AEM上收集的電導率和吸水率（WU）數據（下圖5）。
圖例5說明：電導率作為室溫(RT, 20~30℃)、60 ℃和80 ℃下AEMs液態水吸水率的函數。
電導率、機械性能和AEM的物理尺寸是水含量的函數，因此這是水電解槽AEM設計的一個重要參數。下圖6a和b總結了過去幾年報道的AEMs氫氧根導電性的高導電性和吸水率。據報道，氫氧化物電導率超過200 mS/cm且高達~300 mS/cm的堿性AEM（AAEMs），在接近或甚至高于100℃的溫度下持續工作，而這一數值在幾年前似乎還遠遠不可能。這些最新數據不僅顯示了AEM用于AEMWE的潛力，還表明它們可以用于高溫AEM燃料電池（HT-AEMFC）。高氫氧化物電導率主要由高密度陽離子官能團實現，例如高離子交換容量（IEC）。圖6c和d顯示，大多數最新開發的AEM的IEC中間范圍約為1.4–2.2mmol/g，吸水率相對較低（＜60%），適合用于AEMWE應用。
圖例6說明：
(b)所選AEM的氫氧根導電性與吸水率(導電性Z150 mS cm?1)。
? ? ???(d)吸水范圍內不同水平的AEMs含量。在不同的溫度下給出了吸水值。表S1 (ESI?)給出了表示的數據和基礎來源。
與對AEMFC的跟蹤觀察情況類似，AEMWE的成效也取得了顯著的進展；因此，AEMWE電解槽的性能從(2012年，主要是通過無PGM催化劑實現的)0.4A/cm2提高到5A/cm2（2020年）時，電解電壓為1.8 V(下圖7)。
圖例7說明：選取了文獻報道的高性能(極化曲線)的AEMWEs。在這些研究中使用了PGM催化劑。
液體電解質(除聚合物電解質外)不僅降低了AEM和催化劑層的歐姆電阻，而且改善了反應動力學，進而提高了AEMWE性能。(下圖8)
圖例8說明：AEMWEs的性能總結:在1.5-2.4 V電壓范圍內，從不同饋電類型的不同極化曲線中提取的電流密度的比較。黃色和橙色區域表示添加(KOH)和不添加液體電解質(純水)的AEMWE性能數據。工作溫度范圍為22至90℃。
近年來出現了幾種商用AEM。下圖9比較了基于研究機構和工業機構AEM的AEMWE的性能和性能穩定性。研究機構和工業機構的AEM均表現良好。值得一提的是，HTMA-DAPP AEM46和Sustainations AEM的卓越性能。
圖例9說明：文獻中報道了所選的AEMs及其operando性能穩定性數據。正在開發(大學研究)的AEMs標記為紅色，商用AEMs標記為藍色，分別用于：
盡管有大量報告提供了AEMWE性能數據，但對電池性能穩定性的研究仍然很少:在恒定電流密度下的大多數AEMWE性能穩定性測試顯示，在運行的前200小時內性能大幅下降(上圖9d顯示)，可能是由于在高PH值下用作AEMs(和離聚體)的陰離子導電聚合物的化學降解。只有少數AEMs相對耐受1000h以上的性能，如Sustainion AEMS。除了離聚體-催化劑分離外，離聚體中毒和催化劑降解也是進一步的問題。
二、AEMs在AEMWE應用中的剩余挑戰。
AEMWE的一個特殊特性是高工作壓力，這給AEMWE的設計帶來了獨特的挑戰。PEM和AEM電解槽的膜和其他組件的機械性能幾乎相同，因此，當陰極的氫壓力限制在10Bar以下時，無需對電池組件進行設計修改。然而，當氫氣在陰極室中被加壓時，氫氣通過膜的交叉滲透增加需要慎重考慮。AEM（基于碳氫化合物）的氫滲透性通常比其對應的PEM低一個數量級左右。因此，厚度為~28μm的AEM的氫阻隔能力對應于厚度為~175μm的PEM，和更薄的膜可用于AEMWE而非PEMWE，這是AEM用于電解的諸多優點之一。
膜的機械故障可能導致整個裝置的故障；因此，膜的耐久性對整個系統設計至關重要。下圖10概述了所選AEM的機械性能。通常，AEMWE中使用的AEM需要高楊氏模量、高抗拉強度和高斷裂伸長率。這些通常報道特性為AEM在室溫下的干鹵化物形式，不幸的是，這與AEMWE無關（工作特性為非干式和室溫）。催化劑離聚物的較高拉伸強度提高了電極膜的附著力，并減少了電極裂紋的形成，這對器件性能有積極影響。對于AEM，斷裂應力＞10MPa、斷裂伸長率＞100%和楊氏模量75–400 MPa之間的基準值對于獲得堅固的膜至關重要。
圖例10說明：伸長率[%]與抗拉強度[MPa]。如果有一個值的范圍，則考慮較低的值。表S1 (ESI?)給出了表示的數據和基礎來源。
克服堿性電解液造成的降解仍然具有挑戰性。陰離子導電聚合物（AEM和電極中的離聚物）的分子結構由于氫氧化物離子與季銨（QA）陽離子的強烈反應性而分解，導致膜的IEC降低，進而降低陰離子導電性（增加電解槽電阻），導致AEMWE性能的快速衰退。在不同的降解機理中，霍夫曼消除（E2）、SN2、N-Ylide形成、開環、去質子化、SET和芐炔機理被鑒定為銨、咪唑、釤鈰、碳唑鎓和膦基團（下圖11）。
圖例11說明：AEMs中陽離子官能團的不同降解機理。
AEM降解速率受氫氧化堿濃度和溫度的影響(下圖12)。可以看出:(i)大部分可用數據在0-2000 h范圍內，顯著低于所需AEMWEs的目標壽命;(ii)當溫度從60℃上升到80℃或更高時，降解率增加(下圖12)。不幸的是，發表超過5000小時的穩定性測試數據非常少。盡管最近在非原位堿穩定性方面有所改善，但AEM在AEMWE操作中的原位堿穩定性仍然是一個主要問題，這表明可能應該考慮多個單一因素。
圖例12說明：AEMs的非原位堿性穩定性數據。穩定性報告為剩余百分比與穩定性試驗時間的比值，在(a) 60℃，(b) 80℃和(c) Z85℃的恒定溫度下進行電壓、電壓、電壓和電壓測試。
原位長期測試無法充分模擬AEMWE的無電解質環境，導致降解率出現錯誤或誤導性指示。這兩種效應的結合解釋了陰離子導電離聚物如何在堿性溶液原位穩定性測試中“穩定”，但在操作過程中迅速降解。最近提出了一種新的原位技術，用于在模擬操作電解槽環境和新的穩定陽離子基團的條件下測量AEM降解。
關于主鏈的耐久性，Mohanty等人表明，重復單元中的芳醚鍵在堿性溶液中的化學穩定性較差；沒有芳醚鍵的主鏈[例如，聚聯苯亞烷基和聚苯乙烯嵌段共聚物]能保持穩定。AEM的主鏈退化可能由陽離子官能團的類型觸發，而陽離子官能團可能由AEM中使用的主鏈類型破壞穩定。Mller等人最近報道了一種實用且可重復的易位方法，用于測量AEM（主鏈和官能團之間的相互作用）的真實堿性穩定性，該方法模擬基于操作的AEM設備內最惡劣的環境（結合堿性，溫度和受控的水合作用環境）。
AEMs需要對溶解氧(DO)保持穩定。DO確實可能促進(分別通過AEMFC中的ORR和AEMWEs中的OER)活性氧(ROS)的形成，這反過來可能降解AEM聚合物。但目前的方法不能合理地模擬運行中的AEMWE環境，需要開發新的方法。
總結，盡管目前針對AEM（陰離子交換膜本身）存在很多障礙，但是全球范圍內也收集到了不少積極的信息，他們宣稱他們的AEM有了更好的耐久性，甚至超過萬級小時以上的耐久性。無論如何，我們還是要給予一個新技術、新產品市場驗證的機會，如果真的能在AEM膜的耐久性上有較大的突破，那么我們的綠氫方案就會更多一種選擇！
原文始發于微信公眾號（氫眼所見）：AEM電解水現狀和未來關鍵性能指標以及材料的聚焦和挑戰
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