2020年3月9日， 美国华盛顿州立大学林跃河教授和阿拉莫斯实验室Yu Seung Kim教授共同报道了一种高度季胺化的聚苯乙烯离子聚合物作为电极粘结剂，并与成本低廉的Ni-Fe析氧催化剂配对，组装的纯水体系碱性AEM水电解槽在电压为1.8 V时具有2.7 cm-2的高电流密度。这不仅大大降低了成本，而且其产氢性能可以媲美质子交换膜。该文章以“Highly quaternized polystyrene ionomers for high performance anion exchange membrane water electrolysers”为题发表在Nature Energy期刊上。
2020年4月28日， Nature Energy 在线发表了美国南卡罗莱纳大学化学工程系Prof. William E. Mustain和佐治亚州亚特兰大技术研究所Prof. Paul A. Kohl撰写的题为“Improving alkaline ionomers”的观点文章，并为今后AEM电解槽的发展提供了方向。
一千个读者眼中有一千个哈姆雷特，在该领域深耕多年的大牛又是怎么看的呢？下面就让我们跟随两位大牛的视角来重新解读这项在电解水制氢领域堪称重大突破的工作。
研究痛点
氢能如果要成为未来的能源载体，必须要像汽油一样，能够让世界各地的消费者随时随地可以使用。因此，为了避免实际应用时昂贵而低效率的收集和分配网络，中小规模的产氢也需要经济化。电解水制氢是实现可持续氢能源经济的重要技术手段。目前商业上最成熟的技术是碱性水电解，使用质量分数为20–30 wt%的浓NaOH或KOH溶液为电解质。然而，由于碱性溶液易与空气中的CO2反应生产K2CO3，产生高欧姆电阻损耗，导致其通常在相对较低的电流密度（200-400 mA cm-2）运行。此外，碱性水电解槽难以响应瞬态负载，这在与可再生电力配对时会出现问题。固态质子交换膜（PEM）电解槽具有较高的质子电导率，可以在较低的温度和较高的电流密度下工作，但是需要昂贵的全氟磺酸质子膜和铂基催化剂，导致PEM电解槽的运行成本过高。
碱性阴离子交换膜（AEM）电解工艺由于集合了固态电解质的简单和易操作性，并可以使用低成本的碱性兼容电极和碳氢膜，受到广泛的关注。尽管AEM电解槽在碱性溶液下实现了高效的产氢性能，但是仍然需要进一步研发。迄今为止，大多数工作都使用了与PEM电解槽中相同的昂贵催化剂，并继续循环使用相当高浓度（0.1-1.0 M）的NaOH / KOH电解质，以避免产生高工作电压。近日，林跃河等人在AEM电解槽所需的离子聚合物方面取得了重大的进展，报道了一种可以在没有碱性电解质的情况下即纯水体系下运行的AEM电解槽，并使用廉价的非铂催化剂。
离子聚合物的设计思路
AEM电解槽中离子聚合物的主要作用是将氢氧根离子传导至催化剂表面和从催化剂表面传导出氢氧根离子，并充当粘合剂以将催化剂颗粒机械锚定在电极中。因此，离聚物必须能够有效运行数千小时。然而，由于具有较高的电势，阳极上会发生析氧反应，从而氧化降解离子聚合物，降低催化效率。已有研究表明离聚物骨架上的苯环结构一方面会吸附在催化剂表面并干扰电子转移，另一方面会被氧化形成相对酸性的酚类化合物。这些酚类化合物可能会中和聚合物中的碱性电荷载体，降低其离子交换容量，从而影响AEM电解槽的性能。
为了解决这个问题，林跃河及其同事通过非原位旋转圆盘电极（RDE）实现筛选和比较了几种离聚物。团队研究表明，离聚物中的高离子电导率和局部高pH值可以大大提高析氢和析氧速率，从而高效驱动AEM电解槽。离子交换容量指的是每聚合物质量聚合物中带正电荷的离子导电官能团的数量。通过增加离聚物的离子交换容量，可以同时提高电导率和pH值。因此，在设计高效的AEM电解槽时，离聚物具有越高的离子交换容量越好。基于此，研究人员设计了一系列具有高含量氢氧化季胺基团的聚苯乙烯离子聚合物，其中聚合物主链上不含苯环基团，不含长烷基链，所有的侧链苯环都被季胺或者氨基基团取代。
工作亮点
亮点一：纯水体系。
研究人员报告称，使用纯水作为电解质时，AEM 电解槽在1.8 V时具有2.7 A cm-2的高电流密度。使用纯净水是非常有利的，因为当今AEM电解槽的主要缺点是需要在进水中添加导电盐。虽然盐含量不会损害电解池，但是需要将水再循环以节省电解中使用的盐量，从而增加了系统的成本和复杂性。因此，如果在实际系统中实现上述报告的性能，则可以大大降低设备和运营成本，进而更换PEM电解槽和现有的碱性电解设备。
但是，值得注意的是，上述报道的性能是在非稳态线性扫描伏安法实验中获得的，在该实验中通常不需要考虑传质。实际上，根据文中报道的极化曲线形状表明，传质效应对电解槽的性能十分重要。当电解槽长期处于恒定电流下运行时，进一步证实了这一点。当施加的电流密度不到上述电流密度的十分之一（0.2 A cm-2）时，电池电压在运行的最初40个小时内稳定增加，远远超过2.0 V，这表明电池的传质阻力在不断增加，未来需要进一步的研究来克服这一点。
亮点二：可低温电解和低成本阳极析氧催化剂。
研究表明，通过离聚物结构和性能的先进设计，可以有效降低工作电压，从而能够使用固态聚合物电解质实现低温电解。此外，研究人员在阳极使用了低成本的催化剂，大大降低了运行成本，尽管性能还需要进一步提高。
未来的挑战
为了进一步提高AEM电解槽的性能并推动其商业化大规模应用，未来还有很多挑战需要解决：
挑战一：实现低电压下的稳态性能和高稳定性。这需要探究包含离聚物，催化剂和气体扩散层的各个电极组件中的传质效果，以及跨膜的质量传输。
挑战二：开发不含任何芳族基团的离子导电聚合物，以进一步增强水和离子的传输。未来的设计还必须考虑电极的结构及其在促进水、离子和产物气体传输中的作用。从本质上讲，目前还没有真正理想的电极工程设计，能够实现高性能和高稳定性的AEM电解槽，。
挑战三：继续开发高活性的非贵金属（或低贵金属含量）的催化剂。
相信解决这些挑战后， AEM电解槽能够真正推动高效、低成本、可持续氢能源未来的实现。
参考文献：
1. Mustain, W.E., Kohl, P.A. Improving alkaline ionomers. Nat Energy (2020). DOI: 10.1038/s41560-020-0619-4.
2. Li, D., Park, E.J., Zhu, W. et al. Highly quaternized polystyrene ionomers for high performance anion exchange membrane water electrolysers. Nat Energy (2020). DOI: 10.1038/s41560-020-0577-x.
