科普：AEM電解水膜電極的制備工藝和方法

AEM（陰離子交換膜）電解水技術因其潛在的低成本（可使用非貴金屬催化劑）和高靈活性（與波動性可再生能源兼容性好）而受到廣泛關注。其核心組件—膜電極（Membrane Electrode Assembly, MEA）的性能直接決定了電解槽的效率、壽命和成本。制備高性能、高穩定性的膜電極是AEM電解水商業化的關鍵挑戰之一。

核心組件

1、陰離子交換膜

傳導氫氧根離子，隔離氫氣和氧氣。

2、催化劑層

陽極（析氧反應，OER）：通常使用鎳基（NiFe, NiCo, NiFeCo等）、鈷基（CoOx, CoPx等）或貴金屬（IrO2, RuO2）催化劑。非貴金屬催化劑是AEM的主要優勢之一。

陰極（析氫反應，HER）：通常使用鉑族金屬（Pt, Pt/C, PtNi）或非貴金屬（如Ni, NiMo，MoS2,NiMoN）催化劑。

3、氣體擴散層

常為多孔鈦氈、鎳氈、泡沫鎳或碳紙/碳布（需考慮在強堿和高電位下的穩定性）。

作用：導電、傳輸反應物（水）和產物（氣體）、提供機械支撐。

主要制備方法

膜電極的制備核心在于將催化劑層與陰離子膜結合，并確保良好的界面接觸和離子/電子傳導網絡。主要方法分為兩類：

1、催化劑涂層基底法（CCS）

原理：先將催化劑漿料涂覆在氣體擴散層上，形成氣體擴散電極（GDE），然后再將兩側的GDE與陰離子交換膜通過熱壓等方式組裝成MEA。

工藝流程：

1）GDE制備

GDE有兩種形式，A)自支撐電極，指材料自身作為電極材料，無需額外的粘結劑、導電劑和集流體，可直接作為電極使用，制備方法主要有電沉積法、水熱原位沉積、刻蝕法、非均相沉積等方法。B）負載型電極，將催化劑漿料涂覆在氣體擴散層上制備的電極。

負載型電極的制備：

催化劑油墨制備：將催化劑粉末（如NiFeOx納米顆粒）、離聚物（陰離子交換聚合物溶液，如季銨化聚芳醚砜、聚苯乙烯乙烯基芐基三甲基氯化銨等）、溶劑（醇/水混合物）混合。通過球磨、超聲、高速剪切等手段充分分散，形成均勻、穩定的漿料（油墨）。離聚物含量和分散均勻性至關重要，它影響催化層內的離子傳導、催化劑利用率和三相反應界面。

涂覆：將油墨涂覆到GDL（鈦氈、鎳氈或處理過的碳材料）上。常用方法為噴涂、刮涂、絲網印刷、浸漬。

2）干燥

在適宜溫度（通常60-80℃）下干燥，去除溶劑。

3）MEA組裝

將陰離子交換膜夾在陽極GDE和陰極GDE之間。

通過熱壓進行組裝：在一定的溫度（通常低于膜的玻璃化轉變溫度或分解溫度，如100-150℃）、壓力（幾MPa到十幾MPa）和時間（幾十秒到幾分鐘）下壓合。熱壓使GDE上的離聚物與AEM表面發生部分融合或緊密接觸，形成良好的離子傳導通道和機械結合。

4）活化/離子交換

組裝好的MEA或單獨的GDE和膜在熱壓前后需要進行離子交換處理（浸泡在KOH中）。

2、催化劑涂層膜法（CCM）

原理：直接將催化劑漿料涂覆在陰離子交換膜的兩側，形成催化劑層。

工藝流程：

1)催化劑油墨制備

將催化劑粉末（如NiFeOx納米顆粒）、離聚物（陰離子交換聚合物溶液，如季銨化聚芳醚砜、聚苯乙烯乙烯基芐基三甲基氯化銨等）、溶劑（醇/水混合物，有時加入少量高沸點溶劑如NMP或DMSO）混合。

通過球磨、超聲、高速剪切等手段充分分散，形成均勻、穩定的漿料（油墨）。離聚物含量和分散均勻性至關重要，它影響催化層內的離子傳導、催化劑利用率和三相反應界面。

2)涂覆

噴涂（超聲噴涂、氣動噴涂）：該法最常用，可精確控制催化劑載量和均勻性，適合制備薄催化層。將油墨均勻噴涂到AEM膜的兩面。需要控制噴涂參數（壓力、速度、距離、層數、溫度）和膜的狀態（濕度、張力）。

刮涂/刮刀涂布：適合實驗室小批量制備或需要較厚催化層的情況。將油墨倒在膜上，用刮刀控制厚度刮平。

轉?。合葘⒂湍吭陔x型膜（如PTFE）上，干燥后再熱壓轉印到AEM上?？杀苊饽ぴ谕扛策^程中溶脹變形。

3）干燥

在適宜溫度（通常60-80℃）下干燥，去除溶劑。需避免溫度過高導致離聚物降解或膜過度收縮。

4）活化/離子交換

將制備好的CCM浸泡在堿性溶液（如KOH）中進行離子交換，使膜和離聚物中的陰離子基團（如Cl-, Br-）轉換為OH-形式。此步驟對提高離子電導率至關重要。

3、混合工藝（CCM+CCS）

如陰極采用CCM（提升膜-催化劑界面接觸），陽極采用CCS（增強穩定性）。

CCM和CCS的優缺點 

總結

穩石氫能目前采用CCS工藝制備膜電極，產能可達10000m2/年，全電池下，10mA/cm2過電位為117mV，800mA/cm2時電位1.71V，2000h下測試性能衰減低于0.01mV/h。穩石氫能的膜電極性能優異，壽命長，目前已達到商業化應用條件。

穩石氫能膜電極LSV測試曲線

穩石氫能膜電極穩定性測試