聚焦阴离子交换膜水电解核心！侯新梅团队系统梳理膜电极组件（MEA）设计与优化策略｜Research 综述

研究背景

氢能作为可再生能源存储与转化的关键载体，是实现 “双碳” 目标的重要支撑，但当前全球 95% 的氢生产依赖化石燃料蒸汽重整，每年产生约 13 亿吨 CO₂排放，绿色氢生产需求迫切。低温水电解技术是绿色氢制备的核心路径，主要分为碱性水电解（AWE）、质子交换膜水电解（PEMWE）与阴离子交换膜水电解（AEMWE）三类。

其中，AEMWE 兼具 AWE 与 PEMWE 的优势：既保留了 AWE 在碱性环境下无需铂族贵金属催化剂的低成本特性，又借鉴了 PEMWE 的零间隙结构，可实现 1-2 A/cm² 的高电流密度与 > 99.9% 的氢纯度，且系统体积更紧凑、适配间歇性可再生能源（如风电、光伏）的波动工况，被视为下一代绿色制氢的核心技术之一。

然而，AEMWE 的工业化进程受限于其核心组件 —— 膜电极组件（MEA）的性能瓶颈。MEA 是 AEMWE 的 “电化学核心”，需同时实现高效离子传输（OH⁻跨膜迁移）、快速反应动力学（阴极析氢、阳极析氧）与长期稳定性（抗碱性腐蚀、抗界面剥离），其组件匹配度、界面设计与结构合理性直接决定制氢效率、能耗与成本。此前研究多聚焦单一组件（如催化剂、膜材料）的性能优化，缺乏对 MEA “组件 - 界面 - 结构” 整体设计的系统整合，导致实验室成果难以向工业级应用转化，成为 AEMWE 商业化的关键障碍。

研究进展

团队通过梳理近年 AEMWE 领域研究成果，从 “组件级优化 - 界面工程 - 结构创新” 三个维度，系统总结了 MEA 的高效设计策略，明确了各环节的关键技术要点：

1. 组件级优化：匹配 AEMWE 运行需求的精准调控

MEA 的核心组件包括催化剂层（CL）、阴离子交换膜（AEM）与气体扩散层（GDL），三者的性能需协同适配：

· 催化剂层（CL）：以 “无贵金属、高活性、长稳定” 为目标，主流方向为过渡金属基催化剂开发。例如，阳极析氧（OER）常用 NiFe 层状双氢氧化物（NiFe-LDH，10 mA/cm² 下过电位低至 218 mV）、高熵化合物（如 FeCoNiCuMo，10 mA/cm² 下过电位 241 mV）；阴极析氢（HER）常用 NiMo 合金（10 mA/cm² 下过电位 85 mV）、硫化物 / 磷化物（如 Co-1T-MoS₂，10 mA/cm² 下过电位 118 mV）。这些催化剂需在碱性环境中兼顾抗腐蚀能力，部分体系可实现 100 小时以上稳定运行（电流密度≥100 mA/cm²）。

· 阴离子交换膜（AEM）：需平衡 “离子导电性 - 化学稳定性 - 机械强度” 三大核心指标。工业级 AEM 要求 60 ℃下离子导电性 > 120 mS/cm、1-2 M KOH 中稳定运行 > 5000 小时、拉伸强度 > 30 MPa。目前已开发的代表性膜材料包括德国 Evonik 的 DURAION（导电性 > 200 mS/cm，寿命超 12000 小时）、中国惠州亿纬氢能的 W-25（厚度 25±2 μm，导电性≥150 mS/cm）等，其核心设计思路为 “交联聚合物骨架 + 阳离子功能基团（如季铵盐、咪唑）”，通过调控亲水通道结构提升 OH⁻传输效率。

· 气体扩散层（GDL）：核心作用是 “导电子、输传质、作支撑”，需具备高导电性（界面接触电阻 < 10 mΩ・cm²）、分级孔隙结构（大孔 20-50 μm 输气、小孔 1-5 μm 布水）与抗碱性腐蚀能力。主流材料为金属基（镍泡沫、不锈钢毡，适配阳极 OER 强氧化环境）与碳基（碳布、碳纸，适配阴极 HER，轻量化且成本低），部分研究通过梯度孔隙设计或复合改性（如碳 - 镍复合），解决了 “水淹” 或 “干涸” 导致的传质瓶颈。

2. 界面工程：消除接触电阻，实现多传质协同

MEA 的界面（CL/AEM、CL/GDL）易因粘结不紧密、结构不匹配产生空隙或剥离，导致离子 / 电子传输受阻，催化剂利用率损失可达 40%。关键优化策略包括：

· CL/AEM 界面：通过调控离子 omer 含量（10-30 wt.%）平衡离子导电性与机械粘结力，或采用 “催化剂原位生长”（如在 AEM 表面直接沉积 NiFe-LDH 纳米阵列），实现 CL 与 AEM 的无缝接触，将界面接触电阻（ICR）降至 10 mΩ・cm² 以下；

· CL/GDL 界面：优化 GDL 表面粗糙度（如激光蚀刻、等离子喷涂），减少微观空隙，同时通过 GDL 孔隙梯度设计（靠近 CL 侧为小孔、靠近流场侧为大孔），加速反应产物（H₂/O₂）排出，避免电极水淹，提升传质效率。

3. 结构创新：从 “无序” 到 “有序” 的 MEA 性能突破

传统 MEA 的组件堆叠（如喷涂催化剂 + 热压组装）易导致传质通道无序、三相界面（催化剂 - 电解质 - 气体）不连续，限制高电流密度下的性能。近年研究聚焦 “有序结构” 设计，代表性方向包括：

· 涂层法（CCS/CCM）：CCS（催化剂涂覆于 GDL）工艺简单、适配卷对卷量产，但催化剂易渗入 GDL 孔隙导致利用率低（20%-50%）；CCM（催化剂直接涂覆于 AEM）可实现 CL 与 AEM 的紧密接触，催化剂利用率提升至 85%-95%，且 ICR 更低（<10 mΩ・cm²），适合高电流密度场景（>3 A/cm²）；

· 无离子 omer 自支撑电极：通过原位生长（如电沉积、水热）将催化剂直接负载于导电基底（如镍泡沫、碳布），形成 3D 自支撑结构，无需粘结剂，可暴露更多活性位点、减少传质阻力，部分体系可在 2.5 A/cm² 电流下稳定运行 300 小时；

· 有序膜电极（纳米压印、3D 互锁）：通过纳米压印（如 AAO 模板）构建有序离子通道，或采用 3D 互锁界面设计（如超声波喷涂构建垂直对齐的 CL/AEM 结构），使活性面积提升 4.2 倍、电压损失降低 13.9%，部分有序 MEA 可实现 1800 小时超长稳定性（1 A/cm² 电流下），为工业级高电流密度运行提供可能。

未来展望

尽管 MEA 设计已取得显著进展，团队指出，要实现 AEMWE 的工业化应用，仍需突破3大核心挑战：

1. 建立标准化评价体系

当前 AEMWE 研究的测试条件差异较大，导致数据缺乏可比性，难以客观评估技术成熟度。未来需基于工业场景制定统一标准，例如：明确工业级 MEA 的最低稳定性要求（如 > 1000 小时运行、电压衰减 < 2 mV/h）、统一电流密度与电解质浓度测试基准，同时开发模拟实际工况的加速应力测试（如动态负载循环、热冲击），缩短实验室研究与工业应用的差距。

2. 深化多尺度机理研究与材料创新

现有研究对 MEA 的 “组件 - 界面” 协同机制仍不明确，例如：催化剂在碱性高电流下的降解路径（如金属溶出、相重构）、AEM 与 CL 的界面相互作用（如离子 omer 溶胀导致的剥离）等。未来需结合多尺度模拟（如密度泛函理论计算）与原位表征技术（如原位 XRD、Raman），揭示分子级反应机制；同时开发更稳定的 AEM 材料、更高效的非贵金属催化剂，突破 “导电性 - 稳定性” 的固有矛盾。

3. 突破规模化制造技术瓶颈

实验室级 MEA（如厘米级）的制备工艺（如纳米压印、原位生长）难以放大至工业级（如平方米级），且成本高昂。未来需开发适配量产的工艺技术，例如：基于 AI 算法优化的卷对卷涂层技术（提升涂覆均匀性至 > 95%）、无模板的有序结构制备方法、低成本复合 GDL 的批量生产工艺，同时降低关键材料（如高性能 AEM、催化剂）的成本，推动 AEMWE 制氢成本降至 1.5 美元 /kg 以下，满足工业规模化应用需求。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0907