EES突破历史！7.68 A/cm2电解槽，工作超1000小时！

发展绿色氢能对优化当前能源结构、实现人类可持续发展至关重要，这已成为全球共识。低温水电解槽是一种高效、长期的高纯氢生产解决方案，旨在实现可再生能源、电力和化学能之间的可持续能源转换。

传统的碱性水电解槽(AWEs)，通常在0.4 A cm−2以下的电流密度下工作，温度为60-90°C，槽电压1.7-2.4 V， 电解液是高浓度碱性溶液(30-40 wt% KOH或NaOH)，因此对环境空气中的CO2高度敏感，导致棘手的碳酸化问题。

质子交换膜(PEM)水电解槽(PEMWEs)是一种使用固体聚电解质的技术，可解决上述与AWEs相关的问题，在酸性条件下提供高电流密度和电池耐久性。

然而，由于PEMWEs依赖于高负载的铂族金属(PGM)电极和昂贵的耐酸硬件，在酸性介质中操作不可避免地带来了高昂的成本。 因此，从酸性介质转换到碱性介质，阴离子交换膜水电解槽(AEMWEs)与无贵金属催化剂联用，有效地弥补了昂贵的PEMWEs的缺点。

然而，由于关键组件 阴离子交换膜 和 离聚物 不合格，大多数AEMWEs在碱性条件下存在较差的电流密度(在2.0 V时低于1 A cm-2)和耐久性(<100 h)。理想的阴离子交换膜和离聚物应该同时具有高离子电导率、合格的机械性能和碱性条件下的长期耐用性。

来自韩国汉阳大学的 Young Moo Lee 和韩国科学技术研究院(KIST)的 So Young Lee 等人在 Energy & Environmental Science 上发表文章，High-performance anion exchange membrane water electrolyzers with a current density of 7.68 A cm-2 and durability of 1000 h，报道基于聚(芴基-共芳基哌嗪)(PFAP)的阴极干燥的AEMWEs，其电流密度（ 7.68 A cm-2 ）超过了最先进的PEMWEs。

由于H2O是阴极中的反应物，干燥阴极的供水完全由阳极侧的水扩散而来，因此，在阴极干燥的AEMs中， 高的OH－电导率和水扩散率(Dw) 是水从阳极扩散到阴极的关键。作者设计了四种不同离子交换能力(IEC)和水行为的PFAP共聚物：聚(芴基-联苯哌啶-14)(PFBP-14)、聚(芴基-联苯哌啶-8)(PFTP-8)、PFTP-13和交联的x-PFTP，将这些聚合物作为AEMWEs的阴离子交换膜。

PFTP-13 AEMs具有高离子导电性和水扩散系数(>9×10-8 cm2s-1)，因此表现优异。除了阴极、阳极的电极设计，AEMs具有较高的离子电导率和水扩散率，是改善AEMWEs干燥阴极中水和OH−输运的关键。重要的是，基于PFTP膜和贵金属催化剂的AEMWEs在2.0 V下达到了 7.68 A cm-2 的电流密度，这是当前AEMWEs的新记录(大多数在2.0 V下低于 4 A cm-2 )，并超过了最先进的PEMWEs (在2.0 V下， 6 A cm−2 )。无贵金属催化剂的AEMWEs在2.0 V下的电流密度为 1.62 A cm-2 。同时，现有的无贵金属催化剂AEMWEs可以在0.5 A cm-2电流密度下，在60℃下稳定运行 >1000 h ，无任何电压衰减。

本文的工作为阴极干燥AEMWEs的设计提供了新的思路，并极大地推动了当前AEMWEs的发展。

图文详情

图1. 阴极干燥AEMWEs示意图和PFAP阴离子交换膜离聚物的化学结构

图2. 阴极PFBP-14离子含量对AEMWE性能的影响

图3. 水扩散系数对AEMWE性能的影响

图4. (a)使用纯水的贵金属催化剂的AEMWEs和(b)无贵金属催化剂的AEMWEs性能测试

图5. AEMWEs的原位耐久性测试

原文链接

High-performance anion exchange membrane water electrolyzers with a current density of 7.68 A cm-2 and durability of 1000 h. Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE02642A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/ee/d1ee02642a