综述：用于高效阴离子交换膜水电解的膜电极组件设计

本综述系统剖析了阴离子交换膜水电解（AEMWE）中膜电极组件（MEA）的设计原则，聚焦于催化剂层（CLs）、阴离子交换膜（AEM）、气体扩散层（GDLs）及其界面协同作用的创新策略，旨在推动无铂族金属（PGM-free）、高电流密度（>1 A/cm2）和长寿命（>5,000 h）的绿色制氢技术发展，为氢能经济商业化提供关键材料与工程解决方案。

　　

Fundamentals of MEA in AEMWE

阴离子交换膜水电解（AEMWE）技术结合了碱性水电解（AWE）的低成本与质子交换膜水电解（PEMWE）的高效率优势，其核心组件膜电极组件（MEA）由阴离子交换膜（AEM）、催化剂层（CLs）和气体扩散层（GDLs）构成。AEM通常为季铵功能化的聚芳哌啶共聚物，厚度30–100 μm，具有高氢氧根离子传导性（80–150 mS/cm，60 °C）和低气体渗透性（H₂渗透率<1×10^?14 mol/(cm·s·Pa)）。CLs通过离聚物网络附着于膜两侧，形成固-液-气三相反应界面，驱动析氢反应（HER）和析氧反应（OER）。GDLs（如镍泡沫或碳布）具有梯度孔结构（大孔20–50 μm用于气体传输，介孔1–5 μm用于水分布），确保反应物均匀传递并防止电解质淹没。

Key Performance Metrics

本征活性：HER和OER的催化效率通过过电位（η）、转换频率（TOF）和塔菲尔斜率评估。理想电催化剂应在高电流密度下具有低塔菲尔斜率和高峰值电流密度。电化学活性面积（ECSA）通过纳米化催化剂设计最大化暴露活性位点，但需在实际AEMWE系统中验证其稳定性。

稳定性：工业应用要求催化剂在碱性环境中持续运行>100 h（100 mA/cm²），评估方法包括计时电位法（CP）、计时电流法（CA）和循环伏安法（CV）。高性能催化剂如氮掺杂钴氧化物（Co₃O₄-N）在1 M KOH中实现300 h稳定运行，电流密度达1.0 A/cm²（1.78 V）。

Component-Level Optimization Strategies

催化剂层：非贵金属催化剂如层状双金属氢氧化物（LDH）、高熵化合物和硫化物/磷化物是研究重点。例如，Ru单原子掺杂的NiFe LDH通过电子结构调制和动态重构提升本征活性；自支撑电极（如直接生长在镍泡沫上的Fe_0.2Ni_0.8-P_0.5S_0.5）消除了粘结剂屏障，实现300 h稳定运行（1,000 mA/cm²）。

阴离子交换膜：AEM需平衡高离子电导率（>120 mS/cm）、化学稳定性（>5,000 h in 1–2 M KOH）和机械强度（拉伸强度>30 MPa）。商业化膜如德国DURAION（导电性>200 mS/cm）和加拿大Aemion+（耐强酸碱）表现突出，但成本控制（<$50/m²）仍是挑战。OH^?传导依赖Grotthuss机制和扩散迁移机制，通过阳离子头基团和亲水通道协同实现。

气体扩散层：GDLs需具备高导电性（界面接触电阻ICR<10 mΩ·cm²）、分级孔隙率（孔隙率>60%）和抗碱腐蚀性。镍泡沫因成本低和导电性好成为主流，但需通过激光蚀刻或等离子喷涂优化表面粗糙度。碳基材料（如Sigracet碳纸）适用于阴极HER，但抗氧化性差。梯度孔结构和动态响应材料（如形状记忆合金）可提升质量传输效率。

MEA Design Strategies

涂层方法：

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  催化剂涂层基底（CCS）：将催化剂浆料涂覆于GDLs后热压（50–80 °C, 2–5 bar），工艺简单但易导致催化剂渗入孔隙（20%损失）和界面分层。
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  催化剂涂层膜（CCM）：直接沉积催化剂于AEM表面，减少催化剂负载量（0.4–1 mg/cm²）和ICR（<10 mΩ·cm²），但膜溶胀和溶剂耐受性是关键问题。
  自支撑电极：通过电沉积或水热法在导电基底（如镍泡沫、碳布）上原位生长催化剂，避免粘结剂使用，增强电子传输和机械稳定性。例如，NiFeOOH电沉积GDL实现3,000 mA/cm²下24 h稳定运行。
  有序膜电极：
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  纳米压印：采用阳极氧化铝（AAO）模板制备有序离聚物阵列，活性面积提升4.2倍，但模板脆性限制大规模应用。
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  集成膜电极：通过溶剂热合成实现CLs/AEM无缝界面，在1,000 mA/cm²下运行1,000 h，但可扩展性受限。
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  3D互锁界面：超声喷涂技术构建垂直排列的离子通道，降低ICR（<10 mΩ·cm²），实现>1,800 h耐久性，且兼容卷对卷制造，是最具工业化潜力的策略。

Summary and Outlook

AEMWE技术迈向商业化需解决三大挑战：

1. 1.
   建立标准化评估体系，统一电流密度、电解质浓度和耐久性测试标准；
2. 2.
   通过多尺度机理分析（如密度泛函理论）和高通量实验开发高稳定性催化剂与AEM材料；
3. 3.
   发展智能规模化制备技术（如卷对卷涂层），实现有序膜电极的低成本、柔性生产。
   跨领域合作与全球氢能基础设施布局将加速AEMWE在绿色氢经济中的核心作用，推动“双碳”目标实现。