文章内容来自于以下文献！

摘要：千兆瓦级水电解制氢是能源储存和可持续燃料和材料基础的绿色转型的核心。碱水电解在这方面起着关键作用，因为实施规模不受稀缺和昂贵原材料的限制。尽管是一项成熟的技术，但在新的技术背景下，可再生能源系统对系统提出了更高的能源效率、增强的升降载速率能力以及动态响应、低负荷和差压运行能力的要求。新型电极隔膜能够以小的欧姆损耗支持大电流运行，同时有效地抑制气体交叉，这对于实现这一目标至关重要。本文重点评论比较了目前在该领域正在追求的三种主要发展道路，目的是确定不同方法的优点和缺点，以便阐明合理的发展方向。

水电解产生的氢(H2)是绿色转型的核心，既是能源的储存介质，也是生产可持续燃料、化学品和材料的原料。要满足全球对绿色H2的需求，需要安装数吉瓦规模的电解水装置，而碱性电解技术在这方面发挥着关键作用。这主要是因为与质子交换膜(PEM)电解槽相比，其实施规模不受关键原材料可用性的限制，而质子交换膜电解槽依赖于含有铂/铱的电催化剂以及贵金属涂层。碱水电解是一项成熟的技术，已经在商业基础上应用了一个多世纪，但可再生能源系统的新技术背景在能源效率、速率能力、负荷变化响应时间和压力性方面提出了新的要求。第一个开发的电解池设计利用二维镍基电极，由多孔隔膜分开，使电极之间离子接触传导，同时也抑制产物气体的混合。产生的气体通过电极和隔膜之间充满电解质的空隙排出。采用这种设计，电极间距离在几毫米的范围内是不可避免的。这导致面积比电阻(ASR)超过1~2Ω/cm2, 从能源效率的角度来看，很难达到H2的产率高于200~400mA/cm2(对应于大约100?200 NmLH2/cm2.h)。在零间隙配置中使电极彼此靠近是降低ASR的最明显策略，从而提高产氢速率能力，但这需要对组件和电解池结构进行基本的重新设计，因为产生的气体需要排放到电极的背面。在材料层面，这一发展方向要求几何结构能够在低过电位下驱动电化学反应，并允许有效的质量传递和快速的气体释放（释放）。

为了充分利用零间隙电解池概念和新的高活性三维电极化学和几何结构，需要具有优异稳定性的新型电极隔膜，以小的欧姆损耗支持大电流运行，同时有效地抑制两侧气体的交叉，即使在高压下，也能促进气体向电极背面释放。在这篇文章中，我们从：

1、离子电导率和ASR

2、气体交叉

3、化学/机械稳定性的角度。

三个层面讨论了目前研究领域正在追求的不同电解质（隔膜、分离器）材料设计策略。

下图1简要地说明了目前与碱性电解有关的三种主要电解质（隔膜、分离器）概念；下图2提供了不同方法中使用的SoA材料的典型化学结构。

图1所示，基于：

(a)多孔隔膜，

(b) AEM

(c)离子溶剂膜的纯水和与含水KOH结合的不同电解质概念示意图。

在大部分SoA多孔隔膜(a)中，电解液填充的孔的尺寸通常在微米范围内或略小。对AEMs (b)的纳米形态还没有一个普遍的认识，但在纳米长度尺度上的相分离形态已经被一些材料的实验证实。离子溶剂化膜(c)通常被理解为更均匀的系统。

图2：SoA聚合物化学用于(a)多孔隔膜，(b)纯水中的AEM并与含水KOH支撑电解质结合，以及(c)离子溶剂膜的例子

多孔隔膜（图 1a）通常由聚芳醚砜与无机亲水颗粒结合而成，通过相位反转铸造工艺形成多孔复合材料，孔径一般为微米级，表面层更致密。聚苯硫醚也可以纤维形式使用，但由于不溶于有机溶剂，需要采用其他加工方法。阴离子交换膜（AEM）方法（图 1b）是基于具有共价连接阳离子功能的聚合物化学物质，由季铵功能化聚（芳基醚砜）衍生的膜是首批用于电解装置测试的AEM化学物质。迄今为止，最成功的阳离子离聚物或离聚烯的具体实例包括聚苯乙烯、聚（芳基苯并咪唑）、聚（芳基哌啶）、聚（芳基烯烃）和聚苯乙烯结构，这些结构在单电池水平上已证明了设备性能。在堆叠电堆层面，也有基于聚咔唑膜的系统的报道。在水中浸泡时，离子基团会解离成聚合物上的不动阳离子基团和支持电极间离子电流的移动氢氧根离子。据报道，与全氟磺酸膜一样，许多 AEM 化学物质在水化后会形成相分离的纳米形态，但结构&性能关系取决于大量参数，目前还不完全清楚。第三种方法（图 1c）是利用含有极性或可电离基团（如苯并咪唑或咪唑）的离子溶解聚合物膜，促进碱金属氢氧化物水溶液的过度吸收，从而形成无明显相分离的均匀形态。离子溶解聚合物电解质一词是在非水性电解质化学中引入的，它基于聚（环氧乙烷）和锂盐等的混合物，但碱性聚合物电解质界已将其应用于掺杂KOH水溶液的聚合物系统，尽管需要过量的水才能完全溶解离解离子。

下图3比较了基于非贵金属电极结合PSU/ZrO2复合多孔隔膜、在纯水中操作的季铵功能化聚苯乙烯衍生的AEM、咪唑功能化聚苯乙烯衍生的AEM和1mol/L KOH作为电解质、和最后基于聚苯并咪唑(m-PBI)离子溶剂膜构建的最佳SoA电解池的极化数据在1000~1600mA/cm2范围内，极化曲线线性部分的斜率分别对应于多孔隔膜、纯水AEM、AEM与支撑电解质结合以及离子溶剂膜电解池的ASR分别为0.25、0.28、0.14和0.17Ω/cm2。表1概述了基于不同隔膜（分离器）的主要性能特征参数。

图3：采用贵金属游离电极和多孔隔膜、纯水AEM、KOH支持电解质AEM和离子溶剂化膜AEM的当前SoA电池极化数据的比较根据原始参考资料中提取的数据点重构了极化曲线。

表1说明：基于多孔隔膜、AEM 与纯水结合、AEM 与水支撑电解质结合以及离子溶剂膜的无贵金属 SoA 电池的条件和主要特性比较。

对于多孔隔膜，在高电流密度范围内，由极化曲线线性拟合得到的ASR与Hcell中交流阻抗记录的ASR相同。另一方面，对于基于AEM的电解池，单独膜的电导率比从电解池层面的ASR计算的电导率高一个数量级。然而，应该注意的是，当电解池用液体KOH溶液而不是纯水操作时，ASR从0.28Ω.cm2下降到0.06Ω.cm2(对应于43mS/cm)。研究表明对配备各种镍基电极化学物质的AEM电解池进行的全面研究也充分证明了使用水性KOH作为电解质的性能优势。还应注意的是，据报道，AEM 电池在电压小于 1.9 V 时的电流密度已远远超过 4000 mA cm-2，但迄今为止，只有在与贵金属电极和碱性支撑电解质结合使用时才能实现这一目标，以控制催化剂动力学和离子传导性。

1、电导率和ASR。

电极隔膜的主要功能是在电极之间实现具有高氢氧化物传导性的离子导电，从而以较小的欧姆电压损耗传导大电流。异质隔膜以尺寸稳定的多孔基质材料为基础，离子导电性由填充渗孔体积的水性电解质提供。因此，隔膜上的离子电阻取决于电解质水溶液的电导率和一些几何参数(厚度、孔隙度和扭曲度)，以及多孔基质内部的润湿性。据报道，市售的 Zirfon Perl UTP 500 隔膜在30wt%的KOH (aq.) 水溶液中的ASR在20和80 °C 时分别低至0.3和0.1Ωcm2。该隔膜的厚度为500 μm，这意味着ASR在30 wt% KOH条件下，在20°C和80°C下的比电导率分别为167和500mS/cm。相比之下，30wt%KOH在80°C时的比电导率接近1400mS/cm。然而，文献中报道的Zirfon的ASR有很大差异，似乎取决于测量方法、样品历史、电极选择，最终还取决于操作过程中孔隙内的气泡成核导致离子通道的部分空白。

AEM 的导电性由共价连接的离子基团（通常是季铵氢氧化物）介导，这些离子基团在水合时会解离，从而吸附多余的水分。氢氧化物电导率取决于特定的膜化学成分、离子交换容量 (IEC) 和水合程度，对于从聚(芳基烯烃)、聚(芳基哌啶)、聚(芳基苯并咪唑)、聚（芳基咪唑）、辐射接枝聚烯烃或聚亚苯基等材料制成的优化材料，在纯水中的电导率可超过100mS/cm。尽管 AEM 在纯水中的电导率很高，但在纯水进料中，电解池层级的ASR通常大大高于单独膜的ASR。对于一个运行良好的电解池，电极隔膜上的欧姆电阻通常是造成总ASR的主要原因。通过比较膜的原位电导率和根据电池级ASR计算出的电导率，可以得出以下结论：我们可以定性地了解电解池其他组件的工作情况。例如，在上表1中，多孔分离器（隔膜）的原位电导率与电解测试期间根据ASR计算出的原位电导率相吻合。这表明电极中的欧姆电阻和隔膜-电极界面上的欧姆电阻与总欧姆电阻相比非常小。另一方面，对于装有AEM的电解池，在纯水中运行时，根据ASR计算出的原位电导率比原位电导率低一个数量级以上。这表明其他电解池组件的欧姆电阻贡献占主导地位。

减少额外电压损失的一种常用方法是用0.5~5 wt% KOH的稀溶液作为电解质操作电解池，这表明主要的欧姆电压损失来自电极内或膜-电极界面的离子电阻。在80°C下，5wt%的KOH水溶液的电导率超过300mS/cm,并且在电极内和膜-电极界面上存在这样的电解质，导电并不仅仅依赖于在电极和膜之间提供离子接触的分散和相互连接的离聚物相。通过这种方式，电极设计对缺陷和不完美变得不那么敏感，它甚至可以将电化学活性表面积扩展到不与离聚体相接触的区域。它还可以减轻离子单体吸附和电催化剂中毒的影响，这是最近被确定为AEM电解电极开发的主要挑战。通过适当的电极优化，可以将过电位总和降低到可以在低于1.9 V的电池电压下使用无贵金属电极在纯水中支持高达1000mAc/m2的电流密度的水平(见上图3)离子溶剂膜的导电性是由聚合物基体吸收的电解质溶液提供的。

因此需要使用导电电解质，这也意味着电极和膜之间的接触比在纯水中运行的AEM系统更容易。从电导率的角度来看，基于KOH (aq)掺杂m-PBI的三元电解质体系在这类电解质中被证明是特别有前景的，在25 wt%的KOH水溶液中，在20~80℃下，离子电导率超过100mS/cm技术上相关的电导率也已通过改性的聚苯并咪唑化学物质(或m-PBI)与不同阴离子交换材料(聚异构氨酸、或聚乙烯醇)共混物获得以聚乙烯吡咯烷酮-聚(芳醚砜)共混物、咪唑功能化聚(芳烯烷基)或全氟磺酸为基础的无聚苯并咪唑体系也得到了评价。应该指出的是，后一个例子是基于磺化聚合物，在纯水和低水化程度下表现出非常高的阳离子选择性然而，在高离子强度溶液中过度膨胀时，选择性消失，随着膨胀和电解质摄取的增加，不同离子种类的部分电导率(转移数)逐渐接近均匀水溶液的部分电导率(转移数)，因为离子磺酸基的稀释减少了Donnan不排除同样，含有水性支撑电解质的AEMs的导电性可能受到显著阳离子的支持。另一个影响是，当外部溶液的离子强度增加时，膜的含水量减少。例如，几种AEMs在纯水中的平面内电导率高于在0.5mol/L KOH溶液中的平面内电导率，并且随着溶液浓度的进一步增加，电导率再次增加。从这一讨论中得出的一个假设是，如果膜内电解质的体积分数很高，那么阳离子或阴离子官能团功能化的离子交换膜和中性亲水性离子溶剂化膜的电导率行为主要由过量吸收的电解质决定。然而，这仍然需要通过实验来证实，通过对存在的不同离子种类的转移数进行量化，并考虑形态效应和电解质体积分数。