离子交换聚合物或离聚物经常用于低温电化学装置的催化剂层，包括燃料电池、水电解槽和CO2电解槽。人们提出了离子聚体的几种功能（图1）。首先，离子聚体可以影响催化剂油墨的微观结构，进而影响催化剂层结构（图1a），正如前面在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和水电解槽（PEMWEs）中所示类似的效应也被提出用于阴离子交换膜水电解槽（AEMWEs），尽管有或没有离子的催化剂层结构尚未在文献中得到证实。其次，离聚体可以将催化剂颗粒结合到电极衬底（即膜或传输层）上，提供足够的附着力以防止催化剂脱离或分层（图1b）。最后，离子聚体可以作为带电离子通过催化剂层和催化剂层与膜之间的传输网络（图1c）。对于在纯水中运行的PEM系统，需要一个离子单体在催化活性位点和质子交换膜之间传输H+。AEMWEs通常也利用离子交换膜和相应的离聚体来提供离子通过细胞的运输。然而，由于与纯水操作相比，AEMWEs具有显著的性能（活性和稳定性）优势，因此通常使用支持电解质（例如，0.1-1 M KOH， KHCO3或K2CO3）操作。由于电解质本身具有离子导电性，因此可能不需要离聚物在催化剂层内提供离子导电性，这就提出了关于离聚物在AEMWEs系统中的重要性和特定作用的问题。
最近的努力导致阴离子交换聚合物的发展取得了重大进展，包括几种市售材料这些努力主要集中在改善膜的性能，包括平衡离子交换能力与水吸收和膨胀问题，以及设计化学稳定性。传统上，同一类型的聚合物通常用于膜和离聚体，而无需进一步考虑，即使离聚体所需的特定性能可能与膜所需的不同。例如，阴离子交换离聚体已被证明在AEMWEs的高氧化条件下（高pH、高电位）发生反应和降解，导致催化剂层不稳定和细胞损失。Lindquist等人研究了IrO2阳极催化剂在AEMWEs中离子单体失效的不同途径，发现氧化不稳定性引起的离子单体降解是纯水中三种不同类型离子单体细胞失效的主要机制Li等人证明，离聚体中的苯基对催化活性位点有很强的吸附作用，阻止这些位点进行析氧反应（OER），导致离聚体优先氧化和降解，并随着时间的推移导致电池性能损失，这种聚合物降解途径预计在电位高的阳极是最关键的。Koch等人利用死后透射电子显微镜（TEM）进行单细胞测试，结果表明，当离聚体含量高于15 wt %时，离聚体膜包围了催化剂颗粒然后，电子绝缘的催化剂颗粒显示出可接近的活性表面积减少，从而导致细胞活性降低。
图1：离子单体在AEMWEs中的作用包括(a)分散催化剂颗粒的团聚结构，(b)提供催化剂颗粒与底物（膜或传输层）的粘附和结合，以及(c)提供离子传输途径。在所有部分中，橙色表示的区域代表离子传输的区域和表面。在(c)，纯水的情况下，离子传递只有在离聚体处于连续网络的区域才能实现。在支撑电解质的情况下，与离聚体和/或支撑电解质接触的所有区域和表面都可以进行离子传输。
AEMWE之前的大多数研究都集中在优化阳极催化剂层中的离聚体含量上，并一致认为中间离聚体含量（5-20 wt %）会导致更高的细胞活性。这些研究提出，中间离聚体含量平衡了催化位点阻断（高离聚体含量）和机械不稳定性（低离聚体含量）的问题，尽管所有这些测试都只在短期测试（< 24 h）中得到验证。虽然这些研究表明优化离聚体含量对提高细胞性能的重要性，但离聚体在AEMWEs中的具体作用仍未得到验证。此外，离聚体类型和含量对细胞长期运作的影响尚不清楚。
在这项工作中，Versogen PiperION TP85离子含量系统地从0到30 wt %改变阳极AEMWE催化剂层与NiFe2O4催化剂，以了解离子含量对整体电池损失的影响。选择PiperION TP85是因为它的商业可用性，而NiFe2O4被确定为碱性OER的商业基准催化剂的候选物。结果表明，电化学、自上而下和能量色散能谱（EDS）的横截面扫描电子显微镜（SEM）表明，高的离聚体含量导致催化剂层活性位点的可及性和非均质性降低。耐久性测试（200 h）结果表明，电池损失是由离体损失导致的催化剂脱落引起的，x射线衍射（XRD）、x射线光电子能谱（XPS）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）结果证明了这一点。一种非阴离子导电聚合物，K+交换Nafion，其细胞活性超过了使用Versogen离聚体的细胞活性，这表明当在支持电解质中工作时，不需要离子通过离聚体传导。因此，不需要离子相的化学性质必须与阴离子交换膜的化学性质相匹配，以支持电解质供给的AEMWEs。这些结果表明，未来的离聚体设计应关注化学稳定性、结合质量以及促进均匀和多孔催化剂层的能力。
【成果简介】
虽然阴离子交换膜水电解槽（AEMWEs）在近几十年来取得了显著的性能进步，但相对于质子交换膜水电解槽（PEMWE），过电位仍然很高，这需要特定的AEMWE催化剂层设计策略来进一步推进该技术。在这项工作中，对由NiFe2O4和Versogen的PiperION TP85组成的催化剂层进行了长达200 h的测试，在不同的离子含量（0-30 wt%）下，评估了离子在支持电解AEM器件的催化剂层结构和质量、催化剂层稳定性和离子传导中的作用。结果表明，对于支持电解AEM器件，离子传导不需要离聚体。相反，发现离聚体在催化剂层结构和稳定性中起着关键作用，其中中间离聚体的含量导致最低的过电位，最高的有效表面积和最低的催化剂层电阻。发现催化剂层的稳定性是催化剂附着力和离聚体损失的函数。这些结果表明，可以选择与阴离子交换膜具有不同化学性质的离聚体，从而减轻整个催化剂层对离聚体稳定性的担忧，并为高活性和稳定的AEMWEs提供途径。
【图文导读】
离聚物在阳极催化剂层结构和活性位点可及性中的作用。图2a显示了在1 A cm−2时，当离聚体含量在0-30 wt%之间变化时过电位的变化。细胞活性与离聚物含量呈火山状关系，其中，中等离聚物含量的样品过电位最低（活性最高），极低和极高离聚物含量的样品过电位最高（活性最低）。具体来说，不含离聚物的样品的过电位最高（733±8 mV），当只加入少量离聚物（1 wt%）时，过电位显著降低（664±5 mV）。随着离聚物含量的增加，过电位进一步降低；含5 wt%和10 wt%离聚物样品的过电位分别为658±39和638±35 mV，比含0 wt%离子单体样品低近100 mV。然而，进一步增加离聚体的含量，导致过电位增加，如30 wt%的离聚体（707±44 mV）的样品所示，部分原因是被离聚体相阻断了活性位点，如下所述。
表1 1 A/cm2过电位的值，对1 A/cm2过电位的动力学贡献，RCL，HFR和Tafel Slope
双层电容(CDL；采用图2b和表1)测量来研究离子含量对活性位点可及性的影响。CDL被认为是非PGM氧化物材料的电化学可达表面积的代表，并提供具有相同化学特性的样品之间的可靠比较，我们注意到，这里的结果是从电池电位（而不是半电池电位）计算出来的，因此CV可能包括阳极和阴极催化剂层和传输层的特征；然而，CDL的测量趋势主要反映了阳极催化剂层的趋势，因为每次实验只改变了阳极催化剂层中的离子含量。
浓度为30%的样品CDL最低（35±2μF）；图2b)，当离聚物含量为10、5和1 wt%时，随离聚物含量的降低，温度分别为50±3、54±4和56±8μF（图2b）。这一结果表明，随着离子含量的降低，NiFe2O4催化剂上被离子阻断的活性位点越来越少，要么是通过离子吸附到催化活性位点上，要么是通过离子物理封装和电子隔离这些活性位点。然而，当离聚物从催化剂层中去除时，CDL略有下降，为47±3μF(0 wt%；图2b)，这是由大颗粒团聚和有效表面积减少造成的。
图3：横断面（a−e）和自上而下(f)扫描电镜结果，样品含有0 wt% Versogen(a), 5 wt% Versogen(b), 10 wt% Nafion(d)和30 wt% Versogen（c,e,f）。（a−e）EDX图显示Ni，Fe，I和Pt信号覆盖在二次电子图像上。(f)30% Versogen样品的Ni、Fe和I信号的EDX图。电离体用黄色的I信号表示，催化剂相用青色（Fe）和品红（Ni）表示，Ni网传输层纤维用品红表示，FIB横截面前在催化剂层上添加的保护性Pt涂层用橙色表示。
通过对动力学过电位趋势的分析，进一步探讨了离聚物在活性位点利用中的作用，如图2c和表1所示。动力学过电位是通过从整个测试电流密度范围内的高频电阻（HFR）无极化曲线中推断Tafel参数，并从平衡电位中减去这些参数来确定的。我们注意到，不同离聚物含量的样品具有相似的HFR值（表1和图S1a，SI）。在没有离聚物的情况下，动力学过电位在521±2 mV处较高。随着离聚物的加入，动力学过电位下降；在10和1wt%的离聚体下，动力学过电位分别降至456±16、459±5和480±5 mV。然而，随着离聚物含量的进一步增加，30 wt% Versogen样品的动力学过电位显著增加到491±15 mV。这与Tafel斜率的趋势是一致的，中间离聚物含量的样品的Tafel斜率最低（表1和图S1b， SI）。这些结果表明，在中间离聚物含量下，细胞动力学得到改善，其中催化剂利用率和有效表面积由于减少了催化剂在油墨中的团聚而增加，下面将讨论。
通过DLS测量（图2d）和重力沉降实验（图S2，SI）考察了离聚体在催化剂团聚中的作用。DLS测量利用粒子的布朗扩散，通过测量光散射强度的波动来探测，来确定粒子的大小和稀释胶体粒子分散的分布。这样的实验已经被用于研究PEMWE和PEMFC与Nafion的油墨，但是，据我们所知，类似的实验还没有被证明与Versogen离子单体的AEMWE油墨。
含有0 wt% Versogen的样品具有大的团聚团群，跨度在~700-3000 nm之间（图2d），平均直径为1251±109 nm。该值明显大于供应商提供的约60 nm的平均尺寸，表明催化剂颗粒存在明显的团聚现象。只要加入1 wt%的离聚物，团簇的大小就会显著下降，团簇的大小范围在~ 80-340 nm和~ 340-1700 nm之间，这可以从它们的双峰强度分布中看出（图2）。当油墨中的离聚物含量进一步增加到5、10和30 wt%时，团簇的大小相对于0 wt%的离聚物情况仍然很小，范围在~ 40-2000 nm之间（图2d）。这些结果表明，离聚物的加入可以帮助减缓颗粒的聚集，可能是通过吸附的离聚物的排斥力来抵抗颗粒之间的范德华吸引力，类似于Nafion被证明可以提高炭黑油墨的稳定性，或通过静电和空间稳定机制，类似于聚电解质稳定胶体颗粒的机制在重力沉降结果中可以进一步看到，加入离聚体对催化剂油墨的稳定作用（图S2，SI），在没有加入离聚物的样品中，观察到的快速沉降被加入离聚物显著减缓。关于油墨表征结果的其他讨论，包括多分散性和重力沉降数据，可以在第S5节和图S3以及S4（SI）中找到。
通过对催化剂层的SEM-EDX成像，进一步研究了离聚物含量对催化剂层结构的影响；这些层的代表性图像如图3所示。在所有离聚物含量下，Versogen的原始催化剂层厚度约为5 μm。不同离聚物含量的催化剂层在孔隙度和均匀性上存在质的差异。在没有离聚物的情况下（wt %为0，图3a），观察到一些孔隙度。当离子浓度为5 wt%时，孔隙度增加，颗粒团聚体之间的空间明显增大（图3b）。当离聚体含量增加到30 wt%时（图3c），催化剂层和团聚体相对于低离聚体含量的样品变得致密。相比之下，与含有Versogen离聚物的样品相比，含10% Nafion的样品（图3d）具有最高的孔隙度；尽管负载相似，但该样品的催化剂层厚度约为10 μm，并且整个催化剂层中都有清晰的空气袋。扫描电镜图像也显示了30% Versogen样品的显著异质性。该样品具有致密，凝聚的催化剂颗粒区域（催化剂层的最左侧，图3e）以及具有非常薄的催化剂层的区域（最右侧，图3e）。较厚的离聚物覆盖区域也很明显，如图3f最右侧强烈的黄色I信号所示；这种离聚物覆盖率的增加对应于图3e右侧催化剂涂层的形态变化。这种非均质性在自上而下的图中可以更清楚地看到，如图6a-c所示，并且与离聚物对催化剂活性位点的显著阻断以及观察到的活性趋势相一致。
离聚物在离子传导中的作用。以K+交换的Nafion作为离子相构建阳极，研究了离聚物在催化剂层离子传导中的作用，并评价了离聚物具有阴离子交换功能的必要性。在617±5 nm处，含有10 wt% K+交换Nafion的样品在所有MEA测试中具有最低的平均细胞过电位（最高活性）（图2a和表1）。这一结果表明，当使用支撑电解质时，催化剂层中的离聚物不需要阴离子交换功能。
通过分析RCL趋势，研究了离子单体在破坏整个催化剂层的电子和离子电导率途径中的作用（图4a）。RCL与催化剂层本身的通面和面内电阻损失有关，包括对电子和离子输运的电阻。过去的研究表明，AEMWEs中的RCL对通过催化剂层的电子路径中断很敏感，例如催化剂导电性差、催化剂-催化剂接触差和/或催化剂-传输层接触差RCL的值由1.25 V下的非法拉第EIS测量确定，并使用传输线理论计算多孔电极，如我们之前的工作所讨论的。
催化剂层无离聚物时，RCL为502±42mΩ-cm2（图4a）。加入1wt %的Versogen离聚体后，平均RCL略降至467±29 mΩ-cm2。随着Versogen离聚体含量的持续增加，当离聚体含量为5%和10%时，平均RCL分别急剧下降至341±45和357±70 mΩ-cm2（图4a）。对于wt %为0的样品（图2d，如上所述），较大的颗粒团聚可能导致催化剂-催化剂接触受到抑制，并且对于低离聚体含量的样品，整个催化剂层的电子电阻增加，从而导致中等离聚体含量的RCL得到改善。然而，随着Versogen离聚体含量的进一步增加，这一趋势发生逆转，RCL急剧增加到771±13 mΩ-cm2，是中等离聚体含量的RCL的两倍多。这一结果与离子分子阻断活性位点和在高离子分子含量下限制电子绝缘颗粒的现象一致，与电化学性能趋势一致。
Versogen样品与Nafion样品的RCL趋势进一步揭示了离子电导率对RCL的贡献。含有10 wt% Nafion的样品的RCL为450±5 mΩ-cm2，略低于不含离聚物的样品，尽管两种样品在催化剂层中都缺乏阴离子导电功能。这一结果表明，混合离子和电子限制影响了0 wt%的样品。10 wt%的Versogen样品与10 wt%的Nafion样品相比，催化剂层电阻明显较低，这表明在没有离聚物的情况下，离子电阻更低，尽管这些并没有发现影响催化活性趋势（Nafion与Versogen样品的低η值，图2a）。这表明电子和离子限制都有助于总体RCL。
图4：(a)不同Versogen和Nafion离聚物含量样品的催化剂层电阻，用三次重复运行的平均值和标准差表示。(b)在1 A/cm2下的过电位，(c)动力学对过电位的贡献，以及(d)阳极催化剂层中含有10 wt% Versogen和四种不同电解质浓度（0.1 M, 0.5 M，1M和2M）的电池的催化剂层电阻对过电位的贡献。
在催化剂层中加入一定量的Versogen离聚物（10 wt%），通过电解质浓度（0.1 ~ 2.0 M）的变化进一步探讨了离子单体在离子传导中的作用；结果如图4b-d所示。随着电解质浓度的增加，性能得到改善，与文献预期一致（图4b）。值得注意的是，与1 M和较低电解质浓度之间的差异相比，从1 M增加到2 M时，性能略有改善，这表明1 M可以提供足够的离子电导率来支持电池需求。这些性能差异似乎是由动力学和RCL变化驱动的。随着电解质浓度的增加，动力学损失降低（图4c）。这是预期的，因为在较高的电解质浓度下，反应物质（OH-）的可用性增加，并且由于支持电解质提供的离子传输网络增加，这些反应物对催化活性位点的可及性预计会增加。然而，这些动力学损失的改善在1 M KOH以上是微不足道的，这表明1 M KOH提供了足够浓度的OH-反应物和易离子运输途径。RCL损耗也随着电解质浓度的增加而降低（图4d），在0.5 ~ 1 M KOH之间的改善最为显著。0.1和0.5 M KOH的RCL相似，在MEA测试的典型实验误差范围内被认为是等效的。这些结果再次表明，1 M KOH足以提供运输途径并降低催化剂层中的阻力。
离聚物在催化剂层稳定性中的作用。对不同离聚物含量的样品进行了200 h的测试，以评估离聚物含量对AEMWE耐久性的影响。这些测试的结果在图5中绘制为在200小时测试中大约每24小时1 A/cm2的过电位。对于5 wt%的样本（绿色向下三角形，图5），大多数活性损失发生在测试的前48小时内。寿命开始时，过电位为658±39 mV，48 h内增加到755 mV（初始降解速率为2.0 mV/h）。在剩余的200h测试中，过电位保持在755±13 mV，增15%或总降解率为0.5 mV/h。含有30 wt%离聚体的样品（紫色左三角形，图5）表现出类似的总体活性损失（在200 h测试中增加13%或降解率为0.5 mV/h），尽管这种降解发生得更缓慢。相比之下，含有10%Nafion的样品（黑色星星，图5）在200 h的测试中表现出最稳定的性能。寿命开始时，过电位为617±5 mV， 200 h后增加到638 mV，增加3.4%或总降解速率为0.1 mV/h。然而，这样的降解率比与PEMWE竞争所需的降解率高出两个数量级；PEMWE降解率的技术目标为2.0 μV/h。这些结果表明，离聚体的性质、化学稳定性和数量都会影响降解速度。
图5：5 wt% Versogen、30 wt% Versogen和10 wt % Nafion的耐久性测试结果。生命起始值取自三次重复运行的平均值，如图2a所示。样品在1.8 V下保持200 h，每隔2h测一次极化曲线。在指定的时间间隔内，根据恒电位极化曲线计算绘制的过电位，并将其归一化为平均寿命开始时的过电位。
通过不同离聚物含量的原始样品和长期测试样品的SEM-EDX图像，探讨了离聚物对催化剂粘附的作用。所有样品在测试后都显示出催化剂层变薄和孔隙度损失，如阳极的尸检截面所示（图S5，SI）。在自上而下的图像（图6）中，在原始样品（图6a-c）和测试样品（图6d-f）之间，NiFe2O4催化剂（用铁信号青色表示）对Ni网传输层纤维（洋红色）的覆盖范围根据催化剂层中离子含量的不同而变化。对于0 wt%和5 wt%的样品，在原始样品和测试样品的图像之间可以清楚地看到明显的催化剂损失（EDX图中Fe信号的变化）（分别为0 wt%的图6a与d和5 wt%的图6b与图6e）。相比之下，对于30% wt%的样品，测试后铁信号仍然非常明显（图6c与6f），表明催化剂颗粒在表面保留。对于含有10% Nafion的样品，也可以直观地观察到一些催化剂的损失；这些结果如图S6， SI所示。
图6：自上而下SEM-EDX与Ni-Fe和I地图叠加在未测试（a−c）和长期测试（48−200 h）的图像上；(d−f)样品与0,5和30 wt%的Versogen Ni，Fe和I元素显示使用品红，青色和黄色在500倍的所有图像。
为了定量比较5 wt%和30 wt%样品之间的催化剂损失，对测试前后的样品进行XRF分析，以mg/cm2量化铁信号的变化。使用铁信号进行量化是必要的，因为来自作为所有阳极电极衬底的Ni网传输层的Ni信号干扰了催化剂中Ni的量化。5 wt%的样品在前24h内铁负载损失63%，200h后总铁损失78%（图S7，SI和表S1）。这些损失大于30 wt%样品的损失，后者在前24h铁负荷损失20 wt%， 200h后总铁损失41%（图S7，SI和表S1）。这一结果表明，增加离聚物相的数量可以帮助确保催化剂与基质的粘附性，并遵循耐久性测试中观察到的趋势，即30% wt%的样品比5 wt%的样品的初始降解率更低（图5）。注意，在测试或拆卸过程中，一些分离的催化剂颗粒可能已经转移到膜上并部分嵌入膜中；确实，测试后对测试膜的XRF测量显示铁的存在（表S2，SI）。颗粒从传输层到膜的这种运动不一定会导致降解，因为这些催化剂颗粒可能仍然与传输层接触，因此仍然具有电子连接和活性。
为了进一步研究离聚物在催化剂层稳定性中的作用，并了解这种观察到的铁损失，采用了非原位XRD和ICP-MS分析。图7a、d显示了5 wt%（图7a）和30 wt%（图7d）离聚物样品的原始（黑色）、24 h测试（橙色）和200 h测试（蓝色）的XRD结果。α-Fe2O3相（JCPDS卡39 ~ 1346）2θ= 33.2°处的峰相对于NiFe2O4相(2θ = 30.4°，35.7°；JCPDS卡862267)。对于5 wt%的样品，相对于NiFe2O4， α-Fe2O3峰的损失为47%，而在30 wt%的样品中，这一损失为19%（详见S7节，SI）。这些结果表明，催化剂的损失对α-Fe2O3相是选择性的，α-Fe2O3相是这种商业材料中已知的污染物。这与ICP-MS测量结果一致，其中观察到选择性铁损失（图S8，SI）。
使用原位XPS分析原始和测试催化剂层的O 1s、C 1s、N 1s和F 1s光谱，评估测试前后离聚体的变化。N和F分别是聚合物官能团和主链的组成部分。不幸的是，聚合物中的N和F含量相对较低，因此对于原始或测试的5 wt%样品，在N 1s和F 1s光谱中没有观察到信号（图S9）。然而，在原始样品30 wt%中，两者都可以观察到,N 1s光谱中402 eV的峰值与Versogen报告的铵官能团相对应，F 1s光谱中687 eV的峰值与主链中的有机C−F部分相对应（图S10）测试200 h后，信号明显减弱，但F 1s峰值仍保持在687eV。这表明在测试过程中聚合物的损失或可能的降解。
图7：5 wt%(a)和30 wt%(d) Versogen样品测试前后的XRD结果。5wt% Versogen（b,e）和30wt% Versogen（c,f）在200 h耐久性测试前后的XPS结果。
Lindquist等人同样观察到，在去离子水和0.1 M KOH中测试20h后，Versogen PiperION离聚物的N 1s和F 1s信号丢失，他们将其归因于聚合物主链和阳离子官能团的降解。在DIW的测试中，他们进一步观察到C 1s光谱在288和289 eV之间的峰值随之增加，他们将其归因于羰基和/或酯基的形成，并指出该峰值与N 1s和F 1s信号的损失一起表明Versogen聚合物氧化在本工作中测试的Versogen样品（5或30 wt%）的C 1s光谱中，289 eV处的峰值没有增加，我们不能确切地说离聚物损失是由于氧化引起的。然而，可能存在其他聚合物降解途径；我们的工作使用了1 M KOH的支持电解质，与Lindquist等人的工作中0.1 M KOH的情况相比，高pH可能会促进不同的（in）稳定性。此外，与Lindquist等人使用的IrO2（纯水）和Co3O4 （0.1 M）催化剂相比，我们的研究使用了NiFe2O4阳极催化剂，这可能促进了Versogen聚合物的不同降解机制。聚合物损失也可能通过物理途径发生，即通过液体吸收和膨胀导致催化剂层分层。
通过对原始和测试催化剂层的O 1s光谱的原位XPS分析，评估和量化了测试后离聚物对催化剂的相对损失。O 1s光谱被反卷成O-metal（红色，~ 529.5 eV）和O-F（蓝色，~ 535 eV）峰，以及在~ 531.5和532.5 eV的峰，暂定属于O-H和O=C（图7b，c,e，f）更明确的金属氧化物和氢氧化物峰与O−F峰分别作为催化剂和聚合物的代表进行了比较。对于原始样品5 wt%和30 wt%，O−F/O(H)−M的比率分别为4和7%（图7b，e）。经过200h的测试，5 wt%和30 wt%样品的这些比率分别下降到1和2%，证实了30 wt%样品的离聚物损失和普遍较高的离聚物含量（图7c，f）。在阳极催化剂层中加入10 wt% Nafion的耐久性测试中，XPS结果表明聚合物有一定的损失（S信号和O-F和O-S键的减少证明了这一点，图S11，SI）。虽然上面讨论的XRF和XRD结果表明，在不同的离聚体含量下，催化剂的损失是不同的，但XPS分析表明，经过测试，Versogen离聚体在催化剂层表面的损失和/或降解是显著的。这些稳定性测试结果表明，电池的损失可能主要是由催化剂的脱落和损失造成的，也可能是由聚合物/附着力不足以及聚合物损失共同造成的。
【总结】
在这项工作中，通过将电池活性趋势与催化剂层微观结构、油墨稳定性、动力学和电化学特征（例如，Tafel动力学、催化剂层电阻和有效表面积）联系起来，系统地研究了离聚物在支撑电解AEMWEs中的作用。结果表明，当AEMWEs在支撑电解质下工作时，不需要离聚物作为离子导体。相反，发现离聚体在阳极催化剂层结构和活性位点可及性中起重要作用。具体来说，由于催化剂层结构、均匀性和稳定性的平衡，中间离聚体含量（5-10 wt%）被发现提供了最高的电池电流密度。此外，结果表明，对于催化剂层中离聚物较少的阳极（即5 wt%）和具有阴离子交换聚合物（即Versogen）的样品（与Nafion相比），细胞损失发生的速度加快，并且这种损失与催化剂脱离和离子化物损失同时发生。
重要的是，这些结果表明，催化剂层中使用的聚合物不需要与阴离子交换膜具有相同的化学性质，减轻了文献中报道的由离聚物不稳定性（如膨胀和氧化）引起的限制。未来的工作重点是分离聚合物相的质量，防止催化剂脱落，抵抗物理和化学降解，以帮助降低AEMWEs的损失率。为了支持首选的催化剂层结构（即，高孔隙度，催化剂和聚合物相的均匀性，以及电子，离子，液体和演化气体的不间断传输网络），不阻塞或占据催化剂活性位点，但有助于促进催化剂和离聚体的均匀分散和促进均匀的催化剂层的聚合物可能是有利的。探索电解质浓度对具有不同离子交换能力的聚合物的催化剂层的影响将是这项工作的一个有趣的未来途径，包括以Nafion为离聚体改变电解质浓度。此外，还需要将这项研究扩展到阴极催化剂层，因为阴极催化剂层可能与阳极有不同的需求，包括水的输送和管理。总的来说，这项工作的结果可以帮助加速AEMWEs和其他利用阴离子交换聚合物的电化学装置的开发和部署。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acselectrochem.4c00061
