發(fā)展綠色氫能對優(yōu)化當(dāng)前能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，這已成為全球共識(shí)。低溫水電解槽是一種高效、長期的高純氫生產(chǎn)解決方案，旨在實(shí)現(xiàn)可再生能源、電力和化學(xué)能之間的可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的堿性水電解槽(AWEs)，通常在0.4 A cm?2以下的電流密度下工作，溫度為60-90°C，槽電壓1.7-2.4 V，電解液是高濃度堿性溶液(30-40 wt% KOH或NaOH)，因此對環(huán)境空氣中的CO2高度敏感，導(dǎo)致棘手的碳酸化問題。質(zhì)子交換膜(PEM)水電解槽(PEMWEs)是一種使用固體聚電解質(zhì)的技術(shù)，可解決上述與AWEs相關(guān)的問題，在酸性條件下提供高電流密度和電池耐久性。然而，由于PEMWEs依賴于高負(fù)載的鉑族金屬(PGM)電極和昂貴的耐酸硬件，在酸性介質(zhì)中操作不可避免地帶來了高昂的成本。因此，從酸性介質(zhì)轉(zhuǎn)換到堿性介質(zhì)，陰離子交換膜水電解槽(AEMWEs)與無貴金屬催化劑聯(lián)用，有效地彌補(bǔ)了昂貴的PEMWEs的缺點(diǎn)。然而，由于關(guān)鍵組件陰離子交換膜和離聚物不合格，大多數(shù)AEMWEs在堿性條件下存在較差的電流密度(在2.0 V時(shí)低于1 A cm-2)和耐久性(<100 h)。理想的陰離子交換膜和離聚物應(yīng)該同時(shí)具有高離子電導(dǎo)率、合格的機(jī)械性能和堿性條件下的長期耐用性。來自韓國漢陽大學(xué)的Young Moo Lee和韓國科學(xué)技術(shù)研究院(KIST)的So Young Lee等人在Energy & Environmental Science上發(fā)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，報(bào)道基于聚(芴基-共芳基哌嗪)(PFAP)的陰極干燥的AEMWEs，其電流密度（7.68 A cm-2）超過了最先進(jìn)的PEMWEs。由于H2O是陰極中的反應(yīng)物，干燥陰極的供水完全由陽極側(cè)的水?dāng)U散而來，因此，在陰極干燥的AEMs中，高的OH－電導(dǎo)率和水?dāng)U散率(Dw)是水從陽極擴(kuò)散到陰極的關(guān)鍵。作者設(shè)計(jì)了四種不同離子交換能力(IEC)和水行為的PFAP共聚物：聚(芴基-聯(lián)苯哌啶-14)(PFBP-14)、聚(芴基-聯(lián)苯哌啶-8)(PFTP-8)、PFTP-13和交聯(lián)的x-PFTP，將這些聚合物作為AEMWEs的陰離子交換膜。PFTP-13 AEMs具有高離子導(dǎo)電性和水?dāng)U散系數(shù)(>9×10-8 cm2s-1)，因此表現(xiàn)優(yōu)異。除了陰極、陽極的電極設(shè)計(jì)，AEMs具有較高的離子電導(dǎo)率和水?dāng)U散率，是改善AEMWEs干燥陰極中水和OH?輸運(yùn)的關(guān)鍵。重要的是，基于PFTP膜和貴金屬催化劑的AEMWEs在2.0 V下達(dá)到了7.68 A cm-2的電流密度，這是當(dāng)前AEMWEs的新記錄(大多數(shù)在2.0 V下低于4 A cm-2)，并超過了最先進(jìn)的PEMWEs (在2.0 V下，6 A cm?2)。無貴金屬催化劑的AEMWEs在2.0 V下的電流密度為1.62 A cm-2。同時(shí)，現(xiàn)有的無貴金屬催化劑AEMWEs可以在0.5 A cm-2電流密度下，在60℃下穩(wěn)定運(yùn)行>1000 h，無任何電壓衰減。本文的工作為陰極干燥AEMWEs的設(shè)計(jì)提供了新的思路，并極大地推動(dòng)了當(dāng)前AEMWEs的發(fā)展。
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
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