AEM电解水膜电极的制备工艺和方法

AEM（阴离子交换膜）电解水技术因其潜在的低成本（可使用非贵金属催化剂）和高灵活性（与波动性可再生能源兼容性好）而受到广泛关注。其核心组件—膜电极（Membrane Electrode Assembly, MEA）的性能直接决定了电解槽的效率、寿命和成本。制备高性能、高稳定性的膜电极是AEM电解水商业化的关键挑战之一。



1、阴离子交换膜

传导氢氧根离子，隔离氢气和氧气。

2、催化剂层

阳极（析氧反应，OER）：通常使用镍基（NiFe, NiCo, NiFeCo等）、钴基（CoOx, CoPx等）或贵金属（IrO2, RuO2）催化剂。非贵金属催化剂是AEM的主要优势之一。

阴极（析氢反应，HER）：通常使用铂族金属（Pt, Pt/C, PtNi）或非贵金属（如Ni, NiMo，MoS2,NiMoN）催化剂。

3、气体扩散层

常为多孔钛毡、镍毡、泡沫镍或碳纸/碳布（需考虑在强碱和高电位下的稳定性）。

作用：导电、传输反应物（水）和产物（气体）、提供机械支撑。

工艺流程：

1）GDE制备

GDE有两种形式，A)自支撑电极，指材料自身作为电极材料，无需额外的粘结剂、导电剂和集流体，可直接作为电极使用，制备方法主要有电沉积法、水热原位沉积、刻蚀法、非均相沉积等方法。B）负载型电极，将催化剂浆料涂覆在气体扩散层上制备的电极。

负载型电极的制备：

催化剂油墨制备：将催化剂粉末（如NiFeOx纳米颗粒）、离聚物（阴离子交换聚合物溶液，如季铵化聚芳醚砜、聚苯乙烯乙烯基苄基三甲基氯化铵等）、溶剂（醇/水混合物）混合。通过球磨、超声、高速剪切等手段充分分散，形成均匀、稳定的浆料（油墨）。离聚物含量和分散均匀性至关重要，它影响催化层内的离子传导、催化剂利用率和三相反应界面。

涂覆：将油墨涂覆到GDL（钛毡、镍毡或处理过的碳材料）上。常用方法为喷涂、刮涂、丝网印刷、浸渍。

2）干燥

在适宜温度（通常60-80℃）下干燥，去除溶剂。

3）MEA组装

将阴离子交换膜夹在阳极GDE和阴极GDE之间。

通过热压进行组装：在一定的温度（通常低于膜的玻璃化转变温度或分解温度，如100-150℃）、压力（几MPa到十几MPa）和时间（几十秒到几分钟）下压合。热压使GDE上的离聚物与AEM表面发生部分融合或紧密接触，形成良好的离子传导通道和机械结合。

1)催化剂油墨制备

将催化剂粉末（如NiFeOx纳米颗粒）、离聚物（阴离子交换聚合物溶液，如季铵化聚芳醚砜、聚苯乙烯乙烯基苄基三甲基氯化铵等）、溶剂（醇/水混合物，有时加入少量高沸点溶剂如NMP或DMSO）混合。

通过球磨、超声、高速剪切等手段充分分散，形成均匀、稳定的浆料（油墨）。离聚物含量和分散均匀性至关重要，它影响催化层内的离子传导、催化剂利用率和三相反应界面。

2)涂覆

喷涂（超声喷涂、气动喷涂）：该法最常用，可精确控制催化剂载量和均匀性，适合制备薄催化层。将油墨均匀喷涂到AEM膜的两面。需要控制喷涂参数（压力、速度、距离、层数、温度）和膜的状态（湿度、张力）。

刮涂/刮刀涂布：适合实验室小批量制备或需要较厚催化层的情况。将油墨倒在膜上，用刮刀控制厚度刮平。

转印：先将油墨涂在离型膜（如PTFE）上，干燥后再热压转印到AEM上。可避免膜在涂覆过程中溶胀变形。

3）干燥

在适宜温度（通常60-80℃）下干燥，去除溶剂。需避免温度过高导致离聚物降解或膜过度收缩。

4）活化/离子交换

将制备好的CCM浸泡在碱性溶液（如KOH）中进行离子交换，使膜和离聚物中的阴离子基团（如Cl-, Br-）转换为OH-形式。此步骤对提高离子电导率至关重要。

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