干阴极碱性阴离子交换膜电解水中的离聚物效应
在干阴极碱性阴离子交换膜（AEM）电解水（AEMWE）技术中，AEM是决定系统性能的核心组件。理想的AEM需同时满足多重性能指标：高氢氧根（OH⁻）离子电导率以保障离子传输效率，优良的机械强度与热稳定性以适应电解工况，适度的吸水率（WU）以平衡离子传导与结构稳定性，以及良好的化学稳定性以抵抗碱性腐蚀。AEM的核心结构特征是聚合物主链上接枝的阳离子基团，这些基团不仅赋予膜对阴离子的选择性透过能力，更是离子导电功能的核心载体。
离聚物作为AEM的关键组成，其阴离子传输能力很大程度上依赖于膜的保水能力（即WU）——OH⁻的迁移需以水合离子形式进行，膜内水分的维持直接影响离子传输通道的完整性。道南排斥效应虽能显著抑制氢氧化钾（KOH）等电解质的渗透，但在离子溶剂化膜体系或高浓度KOH（≥1 M）环境中，仍可能存在微量残留渗透现象。这种渗透会破坏膜的离子选择性，还可能加速电极催化层的性能衰减，因此在实际应用中需重点规避。
膜的离子交换容量（IEC）是调控保水能力（WU）的核心物理参数，这使得IEC在干阴极配置中占据关键地位，尤其在高电流密度长期运行场景下，水管理效率直接决定电解系统的稳定性与能耗水平。从定义来看，IEC表示单位重量AEM中可交换离子的数量，常用单位为meq·g⁻¹或mmol·g⁻¹。目前主流的IEC测量方法包括滴定法、光谱法（如紫外-可见光谱UV-Vis）及离子选择法等，这些方法可通过直接或间接测量H⁺或OH⁻的交换量实现精准定量。
干阴极配置的核心特征是依赖阳极生成的水向阴极扩散以维持反应环境，因此水管理的优化成为该技术的核心命题，这也使得厘清IEC、WU与电解池电压三者的关联尤为重要。AEM的分子结构由聚合物骨架与官能团两部分构成，传统设计中多采用季铵基团作为阳离子官能团，通过苄基亚甲基连接至聚苯乙烯、聚砜、聚醚砜或聚苯醚等聚合物骨架上。近年来的研究中，咪唑鎓阳离子基团与金属（钌）基阳离子基团也逐渐得到应用，不同官能团呈现出鲜明的性能差异：季铵基团的优势在于高OH⁻电导率，而咪唑鎓基团则表现出更优异的化学稳定性。当前商用主流膜仍以季铵基团为主，采用咪唑鎓阳离子基团的商用产品尚属少数。
为适配干阴极的水传输特性，开发具有梯度IEC与WU的离聚物及AEM成为研究热点。已有研究团队设计了四种基于哌啶鎓的离聚物，包括聚(芴-共-联苯哌啶鎓-14)（PFBP-14）、聚(芴-共-三联苯哌啶鎓-8)（PFTP-8）、PFTP-13及交联型x-PFTP，并选取其中三种PFTP基离聚物制备AEM。实验数据显示，PFTP-13基AEM在IEC为2.80 mmol·g⁻¹时，WU高达73%；而在相同测试条件下，PTFE增强型商用AEM的WU仅为36%，凸显了实验室定制离聚物在保水性能上的优势。
值得注意的是，在全范围IEC测试中，商用膜与实验室膜的WU值均未呈现明确的线性关联，这种无规律特性可能与膜的微观孔结构、官能团分布均匀性及聚合物链聚集态等多因素耦合有关。电解性能测试方面，在60°C、1 A·cm⁻²恒定电流密度条件下，实验室膜的电解池电压普遍略低于商用膜，但同样未表现出与IEC或WU匹配的规律性趋势，这进一步说明干阴极体系中多参数交互作用的复杂性。
除膜本身的性能外，电极侧离聚物用量与粘结剂含量也对系统性能产生显著影响。阴极离聚物含量在10%-40%范围内的测试表明，25%的含量为最优配比，可使AEMWE在60°C、3.5 A·cm⁻²电流密度下实现2 V的低电解电压。在阳极PTFE粘结剂含量（5-20 wt%）的研究中，低粘结剂含量（5和9 wt%）样品初始阶段在1.8 V恒定电压下表现出较高电流密度，但长期稳定性较差；而20 wt%高粘结剂含量样品经过1300次循环后，在1.8 V下仍能维持1.07 A·cm⁻²的电流密度，远高于低含量样品（分别降至<0.4和<0.6 A·cm⁻²）。这种性能逆转源于高粘结剂含量可减少催化剂流失，并优化电极孔结构以提升传质效率与反应动力学。 为深入解析干阴极的水管理机制，研究人员采用中子成像技术观察中（1.8-2.2 meq·g⁻¹）、高（2.3-2.6 meq·g⁻¹）两种IEC样品在高电流密度下的水分布特征，证实膜电极组件（MEA）内存在明显的水分布失衡。实验发现，供给0.1 M KOH的阴极配置，因膜湿润性更优，在电流密度>0.6 A·cm⁻²时的电解电压显著低于干阴极配置；1 A·cm⁻²下的6小时降解测试进一步显示，干阴极配置的初始2小时降解率明显偏高，其中中IEC样品降解率达75 mV·h⁻¹，高IEC样品为45 mV·h⁻¹，而KOH供给配置的稳定性始终最优。
AEM在碱性环境中的化学稳定性是决定系统寿命的另一关键因素。OH⁻的亲核性可能导致聚合物骨架断裂或官能团破坏，进而降低IEC与机械性能。传统体系中，官能团的主要降解途径包括亲核取代（SN2）、霍夫曼消除及叶立德中间体形成；而干阴极配置中，游离OH⁻浓度显著降低，虽能抑制上述依赖亲核攻击的降解反应，但电解过程中局部产生的活性氧物种仍可能引发自由基氧化降解。目前已有多篇综述系统阐述了传统体系中不同结构AEM的降解机制，但针对干阴极配置的专项研究仍属空白，给膜/离聚物降解规律的认知带来挑战。
未来研究需从两方面突破：一是结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）及电化学阻抗谱（EIS）等技术，建立干阴极工况下AEM降解的原位分析方法，明确降解路径与微观机制；二是系统开展IEC调控实验，构建IEC-WU-电解电压的量化关联模型，为干阴极专用AEM的结构设计提供理论支撑。
超声波喷涂机凭借雾化均匀、涂层致密的优势，成为AEM（阴离子交换膜）燃料电池阴极的理想制备设备。其核心原理是通过超声波换能器将电能转化为高频振动，使阴极浆料（含催化剂、粘结剂、溶剂等）破碎成微米级雾滴，精准沉积于AEM表面形成催化层。
制备时需先调控浆料粘度至5-20 mPa·s，确保雾化稳定性。设置超声频率20-40 kHz，喷涂压力0.1-0.3 MPa，喷嘴移动速度5-10 mm/s，保证涂层厚度均匀可控在10-30 μm。过程中需维持喷涂环境湿度40%-60%，避免溶剂过快挥发导致涂层开裂。
该技术能减少催化剂团聚，提升三相界面接触面积，同时降低涂层孔隙率，增强电子传导性。相较于传统喷涂，其制备的阴极催化层利用率提升15%-20%，使AEM燃料电池峰值功率密度提高约10%，且批次稳定性优异，为AEM器件规模化生产提供支撑。
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