传统的阳极催化层是通过向阴离子交换膜或气/液扩散层上喷涂IrO2粉末催化剂制备，催化性能和稳定性有待提高，原因有以下几点：1）阴离子交换离聚体随机包裹IrO2纳米粒子，形成离散曲折的OH-传递路径，导致催化剂在阳极催化层中的利用率较低；2）碱性离聚物包覆的催化剂与气/液扩散层间的粘附力较低，导致电子转移效率较低；3）致密的催化层结构降低了反应物和产物的传质过程；4）传统电极将催化层与离子膜分成两部分，分别进行独立设计，导致阳极催化层和气/液扩散层界面的电子转移较差。
因此，高性能纯水阴离子交换膜电解水需要一种新的电极结构。与传的粉末催化剂相比，自支撑催化电极有许多优点，包括丰富的催化位点、增强电子转移能力，以及在高电流密度下的优异耐久性。据文献报道利用自支撑电极作为阳极氧析出催化层可实现优异的电解水性能。然而，由于自支撑电极不含碱性离聚物，导致催化层中缺少氢氧根离子的传递网络，难于在纯水条件下的阴离子交换膜电解水中应用。
基于此，清华大学王保国教授课题组，在国际知名期刊Small上发表题为“Construction of Integrated Electrodes with Transport Highways for Pure-Water-Fed Anion Exchange Membrane Water Electrolysis”的研究论文，博士生万磊是第一作者，王保国为通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划（2020YFB1505602，2018YFE0202001）支持。
图1. (a)传统电极与三维有序自支撑电极的概念示意图; (b) 基于FeNi LDH纳米片阵列的有序化电极的制备流程示意图
本 文 要 点
要点一：有序结构的传质通道设计与构建
如图1(b)所示，首先，采用水热法在泡沫镍上制备均匀分布的FeNi LDH纳米片阵列。垂直排列的纳米片阵列为电子传递和气/液传输提供了有效而稳定的途径。随后，利用超声喷涂设备在FeNi LDH纳米片阵列表面形成碱性离聚物的薄层，其厚度约有~5 nm。纳米片表面的碱性离聚物可在催化层内部形成氢氧根的传递网络。原始FeNi LDH纳米片阵列和负载碱性离聚物的FeNi LDH纳米片阵列的扫描及透射电镜图表明：1）原始的FeNi LDH纳米片阵列具有垂直取向且多孔的催化层形貌；2）经过负载碱性离聚物后，FeNi LDH纳米片阵列仍保持多孔的形貌，并且碱性离聚物在纳米片表面均匀分布。
要点二：碱性离聚物对“一体化”电极结构的影响
研究表明碱性离聚物含量对电极的电解性能有显著影响。因此，我们调控了碱性离聚物在FeNi LDH电极上负载量。碱性离聚物负载量的负载量调控范围为0 wt.%、10 wt.%、20 wt.%、30 wt.%和40 wt.%，对应的电极记为IE 0 wt.%、IE 10 wt.%、IE 20 wt.%、IE 30 wt.%和IE 40 wt.%。研究结果表明：1）碱性离聚物含量提高导致有序化电极表面的孔隙率和平均孔径逐渐降低；2）IE 20 wt.% 仍保持多孔的催化层形貌。
要点三：纯水条件下的阴离子交换膜电解水性能
图2. (a) 基于不同离聚物含量的一体化电极的AEMWE极化曲线；(b) 1.7 V电压处记录的奈奎斯特图；(c) 图 (a) 中一体化电极的Tafel斜率；(d) 不同电流密度下的过电势分析图；(e) 纯水条件下的阴离子电解水性能对比图；(f)离聚物含量对一体化电极中传递通道影响的示意图
为了考察“一体化”电极在实际应用中的电解水性能，将其组装为全电池进行测试。如图2所示，测试结果表明：
1）在1 M KOH溶液中，提高碱性离聚物的含量导致电解性能逐渐降低，此结果与三电极测试结果一致；
2）在纯水条件下，碱性离聚物含量为20 wt.%的一体化电极电解性能最高，1.8V电压处可实现1200 mA cm-2的电流密度；
3）一体化电极负载碱性离聚物促进欧姆内阻显著减小可能得益于：i）碱性离聚物为有序化电极提供了有序的OH-传递网络；ii）一体化电极表面的碱性离聚物增强了催化层/膜界面黏附强度，降低了催化层/膜界面接触内阻；
4）当提高碱性离聚物在一体化电极上的负载量，Ract呈现先减小后增大的趋势；
5）有序化电极负载碱性离聚物导致Rmass的显著增大可能由于：离聚物促使有序化电极表面与气泡黏附力增强，导致电解过程中气/液传质受阻。
文 章 信 息
有序通道中的高速传质提高纯水条件下的阴离子交换膜电解水性能
第一作者：万磊
通讯作者：王保国*
单位：清华大学化工系
链接：Construction of Integrated Electrodes with Transport Highways for Pure-Water-Fed Anion Exchange Membrane Water Electrolysis
https://doi.org/10.1002/smll.202200380
