碱掺杂阴离子交换膜在碱性电解槽和燃料电池中的应用与挑战

摘要

阴离子交换膜（AEMs）作为阴离子交换膜电解槽（AEMWEs）与阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）的核心部件，普遍面临离子传导率有限、官能团易降解、碱性稳定性不足等问题，严重制约了相关电化学器件的长期稳定运行。近年来，碱掺杂型AEMs因其离子传导过程不依赖有机阳离子官能团，表现出优异的碱性稳定性和离子传导性能，成为该领域的研究热点。研究系统综述了聚苯并咪唑（PBI）、氧化石墨烯（GO）和层状双氢氧化物（LDH）等碱掺杂AEMs制备中常用材料的性能。在离子传导方面，指出PBI主要依赖有机氮位点对KOH的吸附，以及KOH诱导形成的亲水网络实现OH^-传导，而GO与LDH则借助其表面官能团与KOH构建的亲水区域促进离子迁移，三者离子迁移机理均与Grotthuss机制相似。在性能优化方面，总结了运行温度、碱类型、碱负载量、碱浓度、碱浸泡时间以及离子传输通路等关键因素的影响，结果表明，碱掺杂型AEMs在8 mol/L的KOH溶液中浸泡6 d能够达到最优的处理效果；通过设计合理的膜结构，能够增大碱负载量并优化离子传输通路，显著提升膜离子传导率。在应用层面，综述了碱掺杂型AEMs在AEMWEs与AEMFCs中的最新研究进展，并对其未来发展方向进行了展望。该研究可为碱掺杂型AEMs的开发制备提供参考。

关键词

阴离子交换膜 / 燃料电池 / 电解槽

基金资助

国家自然科学基金资助项目（52277225）; 西安交通大学基本科研业务费青年创新团队资助项目（xtr052024009）