阴离子交换膜电解水膜电极设计与优化
阴离子交换膜电解水膜电极设计与优化 – 超声波喷涂AEM催化剂涂层 – 驰飞超声波
当前，阴离子交换膜（AEM）电解水制氢技术备受关注，同时不少高校研究者就相关膜电极（MEA）的制备技术与笔者交流探讨。基于此，本文结合现有研究资料进行系统性梳理，内容以理论知识为主，实际应用中还需结合具体操作不断摸索领悟，仅供相关从业者参考。
膜电极组件（MEA）的形成核心在于催化剂的合理沉积，据此可分为两类技术路径：一类是将催化剂直接沉积于离子膜表面，即催化剂涂层膜（CCM）技术；另一类是将催化剂沉积在基底材料上，称为催化剂涂层基底（CCS）技术。在阴离子交换膜电解水（AEMWE）系统中，CCS技术所用基底通常选用气体扩散层（GDL）或多孔传输层（PTL）。
催化剂涂层的湿法制备是较为成熟的工艺，其流程为将催化剂粉末与离子聚合物溶于适宜溶剂，形成分散均匀、稳定性良好的浆料，再通过喷涂或涂刷等方式将浆料负载于GDL表面。为解决湿法工艺中存在的物料浪费与溶剂消耗量大等问题，干法薄膜沉积技术成为研究焦点，如化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）、离子束溅射沉积（IBD）及磁控溅射（PVD类）等均属于此类新型工艺。
超声波喷涂为AEM催化剂涂层提供了高效方案，其通过20-120kHz高频振动将浆料雾化成10-50μm均一液滴，精准沉积于膜或GDL/PTL基底。涂层均匀度超95%，厚度可控20nm-100μm，原料利用率达90%以上。温和喷涂避免膜损伤，致密涂层提升离子传导效率，减少界面电阻，适配非贵金属催化剂，为AEMWE规模化生产提供支撑。
从工艺特性来看，CCS技术通过将催化剂浆料直接负载于基底，更便于制备结构稳固、性能稳定的催化剂层；而CCM技术的优势则体现在优化催化剂层与离子膜的界面接触状态，进而提升离子传导效率，降低界面接触电阻。不过CCM技术存在明显局限，催化剂沉积过程中可能影响离子膜的化学稳定性，还会导致膜表面发生溶胀等物理变化。
CCM与CCS工艺制备的MEA性能对比较为复杂，膜材料稳定性、离聚体与膜的兼容性及沉积工艺参数等诸多因素都会导致结果差异。不同工艺制备的MEA在AEMWE单电池中的表现，很大程度上取决于工作温度、催化剂类型（贵金属与非贵金属）及电解质特性。已有研究表明，采用CCM阴极与CCS阳极的组合配置可实现较优性能，但CCM工艺制备的阳极易出现催化剂颗粒分层问题，导致电池稳定性下降。
针对CCS工艺中阳极与离子交换膜间的界面接触电阻问题，一种有效的解决策略是在PTL与MEA之间增设微孔层（MPL），通过结构优化提升界面传导效率。由于MEA及催化剂层的制备涉及多重变量，需采用试验设计（DOE）等系统性试验方法来确定关键制备参数。质子交换膜电解水（PEMWE）与燃料电池（FC）领域的部分研究成果可迁移应用于AEMWE研究，此外，将MEA组件的分子动力学建模与实验验证相结合，能加速该领域的技术发展。
热压工艺是MEA制备的重要环节，该工艺可增强催化剂层与AEM膜的界面结合，但可能导致膜材料脱水。热压温度的设定需重点考量AEM膜及离子导电聚合物（AEI）的玻璃化转变温度（Tg）。与燃料电池的气体进料场景不同，AEMWE系统（尤其液体进料类型）需精准控制热压条件以避免膜材料过度压缩，通常热压参数范围为温度120~195℃、时间50~300秒、压力2~200 kg/cm²。
MEA组件的优化还需解决水管理问题，避免出现膜干涸或水淹现象。质子交换膜（PEM）基的燃料电池与电解水系统已针对类似问题形成成熟解决方案，但AEMWE在碱性环境下，阳极与阴极的水生成及消耗不平衡问题较酸性环境更为突出。以1摩尔KOH碱液为电解质时，阳极析氧反应（OER）所需的OH⁻供应充足；而纯水进料场景中，OER所需的OH⁻则完全依赖阴极的水裂解反应提供。
从电化学反应计量关系来看，AEMWE系统中阳极每生成1摩尔产物水，阴极就会消耗2摩尔水；而PEMWE系统中阳极消耗1摩尔水，阴极无水分消耗。尽管AEMWE的阳极会产生水分，但阳极进水模式已成为当前AEM电解水系统的主流选择，该模式可减少水与氢气的分离工序，提升电解产物氢气的纯度。不过研究表明，向阴极与阳极同时供应电解质的双循环平衡模式，能实现更优的电池性能与更高的工作电流密度，同时降低阳极脱水风险并强化向阴极的水传输效率。
未来AEMWE的技术发展方向之一是开发定制化、结构有序的膜电极组件及传输层结构，通过精准调控液体与气体在特定区域的分布，实现电极结构的创新优化。这一目标可通过多种技术路径实现，例如沿电极面内方向调整催化剂层的分层孔隙率，或采用憎水、亲水改性剂对材料表面进行功能性修饰。此外，液体流速与KOH浓度的优化作为与实际系统设计紧密相关的参数，目前相关研究仍有待深化。
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