阴离子交换膜电解水系统中电解质进料的影响机制与性能调控
电解质进料是调控阴离子交换膜电解水系统（AEMWE）性能与运行稳定性的核心因素，其通过精准控制电极-电解质界面的pH环境，直接影响界面反应动力学与离子传输效率。其中，支持电解质的浓度调控尤为关键——合理的浓度水平是保障离子电导率、维持水分解反应持续高效进行的基础。工业实践中，通常向电解体系供给质量分数1~10%的碱性水溶液，该浓度范围可在保障离子传导效率的同时，避免过高浓度引发的膜溶胀或电极腐蚀问题。
进料模式对系统稳定性的调控作用
现有研究已证实，电解质的进料模式（单侧/双侧进料、对称/不对称进料）对AEMWE的长期运行性能存在显著影响。某团队在50℃条件下，以催化剂涂覆基底（CCS）工艺制备膜电极组件（MEA），采用胺化Radel聚砜作为离聚物，系统探究了去离子水（DIW）不同进料模式的影响规律，获得了具有指导意义的实验结论：
– 双侧循环进料：当DIW同时在阳极与阴极循环时，系统在0.2A·cm⁻²的电流密度下实现了2.25V的稳定槽压，且持续运行时间超过500小时，展现出最优的稳定性；
– 单侧阳极进料：仅向阳极供给DIW时，电解初始阶段槽压出现快速跃升，但随后进入稳定期，最终实现约300小时的连续运行；
– 单侧阴极进料：仅向阴极供给DIW时，系统降解速率显著加快，稳定运行时间最长仅196小时，是所有单一进料模式中性能最差的方案；
– 阶段式进料：若在运行前2小时向阴极供给DIW进行预处理，后续切换为阳极进料模式，系统稳定性可恢复至500小时水平。
上述结果明确表明，阴极室的充分水合，尤其是电解初始阶段的水合保障，是提升AEMWE系统效率与耐久性的关键前提，这一发现为进料策略优化提供了核心依据。
初始进料预处理与运行进料的协同调控
为进一步挖掘电解质进料的调控潜力，研究者将进料过程细分为”初始进料”与”运行进料”两个阶段，其中初始进料可视为一种针对性的预处理手段，通常以DIW或碱性溶液持续供给10分钟，旨在为膜电极组件建立稳定的离子传输通道；运行进料则指电解过程中的常规电解质供给。
实验证实，初始进料的组分选择对系统性能影响显著：在干阴极配置下，以碱性溶液作为初始进料时，系统的早期激活速度与长期运行稳定性均得到明显提升。这种性能改善本质上源于传质过程的优化——碱性预处理可快速消除膜内离子传输阻力，为后续电解反应构建高效的传质路径，尤其适用于干阴极这类对离子传输效率要求较高的工况。
电解质pH特性与离子组分的优化方向
传统AEMWE系统多采用高pH电解质（pH≈14），其核心优势在于优异的离子电导率，但同时也存在明显缺陷：强腐蚀性环境会加速电极与电解池组件的老化，旁路电流的产生还会降低能量利用效率。为此，科研人员将目光转向中性pH介质或纯DIW体系，但这类介质的低离子电导率会导致欧姆损耗剧增，同样制约性能提升。
针对这一矛盾，有研究系统探究了近中性pH介质中添加金属盐的改性效果，以高氯酸钠作为基准盐，与纯DIW体系进行对比：向阳极电解液中添加10mM高氯酸钠后，系统在0.5A·cm⁻²电流密度下的工作电压降至2.58V，而纯DIW体系的工作电压为2.77V，性能提升显著。进一步对比硝酸钾、碳酸氢钠与高氯酸钠的效果发现，硝酸钾表现出最优性能。其核心机理在于，含盐电解液通过提供额外的离子载体，降低了电解液的欧姆电阻，从而减少了电压损耗；在干阴极配置下，膜电荷与电场方向的协同作用还能进一步抑制离子渗透，强化系统稳定性。除上述盐类外，纯水与碳酸氢盐体系也已成为电解质组分的重要研究方向。
阴阳离子效应的作用机制与规律
在干阴极AEMWE操作中，电解质中的阳离子与阴离子特性是调控性能的关键参数，相关研究已揭示出明确的构效关系，为离子组分优化提供了精准指导。
碱金属阳离子的性能调控规律
一项针对碱金属阳离子（Li⁺、Na⁺、K⁺、Cs⁺）的研究表明，在低氢氧化物浓度的阳极电解液体系中，阳离子尺寸通过影响动态离子半径与迁移率，间接调控阴极过电位，而阳极过电位则因氢氧化物浓度恒定而保持稳定。该实验以0.01M氢氧化钠作为阳极电解液，阴极分别采用含不同碱金属阳离子的0.15M硝酸盐溶液（硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾、硝酸铯），得出以下核心结论：
– 阳极过电位特性：当阳极电解液仅含氢氧化钠时，阳极过电位最低；添加硝酸盐后，阳极过电位出现小幅上升，这是因为硝酸根离子会在离聚物中积累，部分覆盖催化剂活性位点，导致离聚物内氢氧化物浓度降低；
– 阴极过电位规律：阴极过电位受阳离子种类影响显著，其中K⁺在高电流密度下表现出最小的阴极过电位，整体性能顺序为K⁺ < Na⁺ < Li⁺ ≈ Cs⁺；
– 离子迁移率机理：性能差异与阳离子的动态离子半径直接相关——Li⁺虽离子半径最小，但易形成较大的水合壳层，导致实际动态离子半径增大，迁移阻力增加；而K⁺的水合壳层最薄，动态离子半径最小，因此迁移效率最高。
基于上述规律，含K⁺的电解质体系展现出最优性能：在1A·cm⁻²电流密度下槽压仅1.802V，且以0.01M氢氧化钾+0.15M硝酸钾作为阳极电解液时，系统在60℃、1A·cm⁻²条件下实现了1000小时的长期稳定运行。此外，Na⁺也表现出良好的应用潜力，其优异的水合能力与迁移率使其在2A·cm⁻²及更高电流密度的干阴极配置中，可作为K⁺的有效替代离子。
阴离子组分的影响机制
阴离子种类对AEMWE性能的调控作用同样不可忽视。研究发现，当阳极液流为1M碱性溶液时，阴极室电解质的阴离子组成会显著影响系统性能：若阴极采用DIW或碱性溶液（即阴离子以OH⁻为主），系统高频电阻（HFR）较低，在高电流密度下表现出明显优势；而当阴离子从OH⁻替换为CO₃²⁻或NO₃⁻时，电解性能会显著下降，这一现象源于双重负面影响——一方面阴离子种类改变导致HFR增大，增加欧姆损耗；另一方面，非OH⁻阴离子会在氢析出反应（HER）催化剂表面发生吸附毒化，降低催化活性。
总结与展望
综合现有研究成果，电解质进料通过进料模式、组分特性、阶段调控等多重维度，共同影响AEMWE系统的性能与稳定性：初始阶段的阴极水合保障、碱性预处理的合理应用，以及K⁺等优势阳离子的选择，是当前提升系统性能的有效路径；而阴离子的优化则需以避免催化剂毒化为核心原则。
未来研究应聚焦于复杂工况下阴阳离子的协同作用机制，开发动态可调的进料策略，结合膜材料改性与电极结构优化，进一步突破电解质进料相关的性能瓶颈，为AEMWE技术的工业化应用提供更完善的理论支撑与技术方案。
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