電解水制氫是實現可持續氫能源經濟的一項重要技術。利用電解槽通過電能驅動在在較低溫度下實現水的電解產生高純度氫氣，可以實現將可再生能源以穩定化學能形式儲存。電解槽中的電解質是實現高效產氫的關鍵。
目前的電解質主要分為三大類：循環流動鹼性電解質溶液可以實現鹼性條件下非鉑族金屬電極的高效產氫。其可以在60-90 ℃時，槽電壓1.7-2.4 V下以300-400 mA cm-2的電流密度工作。但是鹼性溶液易與空氣中CO2反應生成K2CO3降低其性能。固態質子交換膜電解質（PEM）由於其高質子電導率可以實現更高的電流密度（1-3A cm-2，槽電壓約為2.0 V），但是全氟磺酸質子膜和鉑族金屬電極的高昂費用是其主要缺點。鹼性陰離子交換膜電解質（AEM）由於成本低，可在鹼性溶液下工作，並且可使用非鉑族金屬電極的優點受到廣泛關注。鹼性陰離子交換膜在鹼性溶液環境下已經實現了高效的產氫性能，但是在純水體系中的表現仍然低於期望值。鑑於此，美國華盛頓州立大學林躍河教授和阿拉莫斯實驗室 Yu Seung Kim教授合作製備出高度季胺化的聚苯乙烯離子聚合物作為電極粘結劑，在非鹼性溶液和NiFe析氧催化劑下，實現了槽電壓為1.8 V下2.7A cm-2的高電流密度，在大大降低成本的條件下其產氫性能可以比擬質子交換膜。該文章以“Highly quaternized polystyrene ionomers for high performance anion exchange membrane water electrolysers”為題發表在Nature Energy期刊上。
圖1. 低溫水電解槽示意圖。a, 循環KOH鹼性溶液電解槽的組成：非鉑族金屬電極（Ni, Fe），隔膜和KOH電解質。b, PEM電解槽的組成：多孔鉑族金屬電極（IrO2, Pt），全氟磺酸質子交換膜/離子聚合物和鉑族金屬集電器。c, AEM電解槽的組成：非鉑族金屬電極（以Ni為主），碳氫型陰離子交換膜/離子聚合物和非鉑族金屬集電器。
1. 陰離子交換膜電解槽性能的影響因素
旋轉圓盤電極（RDE）可以通過測量電解槽和燃料電池中析氫反應（HER），析氧反應(OER)，氧還原反應(ORR)和氫氧化反應(HOR)來監測電催化活性。圖2a顯示在AEM電解槽中，析氫和析氧速率隨溶液pH增加而增加，而在燃料電池中，電解液在合適的pH下才有最高的氧還原和氫氧化速率。因此，在設計電解槽的AEM時，其具有越高的離子交換容量（IEC）其性能越好。
圖2. NaOH濃度對電催化活性的影響。a, OER伏安圖（IrO2電極）。b, HER/HOR伏安圖（多晶鉑電極）（右邊插入圖為放大的低電勢下的HOR伏安圖）。所有伏安曲線都是在室溫，10 mV s-1 掃描速率和1600 r.p.m轉速下記錄的。橫座標表示為槽電壓/可逆氫電極。
2. 離子聚合物的設計理念
已有研究表明離子聚合物骨架上苯環結構在槽電壓下可以發生氧化生成苯酚，其電離的質子可以中和掉鹼性AEM中氫氧根降低其離子交換容量，從而降低其電催化效率。而側鏈上苯環和季胺鹽修飾苯環相比骨架苯環具有更低的催化劑表面吸收能而更難被氧化。同時，含鉑的雙金屬催化劑（PtRu, PtNi）也可以有效的降低苯環的吸收能。通過RDE的測試表明當離子聚合物中的氫氧化季胺化基團越多（鹼性越強），其電催化效率越高。
在以上認知下，作者設計合成了一系列具有高含量氫氧化季胺基團的聚苯乙烯離子聚合物（TMA-x），它同時滿足了以下設計標準：
1，主鏈上不含苯環基團；
2，主鏈不含長烷基鏈，具有很好溶解性；
3，所有側鏈苯環都被季胺或者氨基基團取代，使其同時具有低的苯環吸收能和高鹼性。與此同時，作者合成了苯環作為骨架，具有相同離子交換容量的AEM(HTMA-DAPP)來研究苯環位置對電解槽性能的影響。
圖3. 設計的離子聚合物的化學結構。a, 具有不同數量季胺化修飾單元的聚苯乙烯離子聚合物粘合劑。b, 以苯環為骨架的離子聚合物粘合劑。
3. 不同離子聚合物對AEM電解槽性能的影響圖2a顯示當電極中TMA-45的含量從4.5 wt%增加到9.0 wt%時，膜電極組件（MEA）的電流密度在槽電壓為1.8 V下為405 mA cm
-2，增加了1.8倍，這是由於電極中氫氧化季胺含量的增加。在保持相同TMA離子聚合物含量下，當離子聚合物的離子交換容量增大，其在相同電壓下的電流密度顯著增加。TMA-53（IEC=2.6 mequiv g-1）的電流密度（791mA cm-2）是TMA-45的2倍；而TMA-62（IEC=2.9 mequiv g-1）和TMA-70（IEC=3.3 mequiv g-1）的電流密度分別增加到860和1360 mA cm-2。同時，作者研究了苯環基團在側鏈和主鏈對MEA性能的影響。在保證IEC值和離子聚合物含量相同的條件下，在0.1M NaOH鹼性溶液環境下，兩種離子聚合物的電解槽性能接近（HTMA-DAPP MEA為945 mA cm-2，TMA-53 MEA為1052 mA cm-2）。而在純水體系中，TMA-53 的電流密度（630 mA cm-2）顯著大於HTMA-DAPP的電流密度（484 mA cm-2），這是由於在純水體系中離子聚合物的氫氧根離子被氧化苯酚點離出的質子中和。並且主鏈苯環氧化對電解槽性能的影響隨著使用時間的增加而顯著增加。
圖4. 不同離子聚合物對AEM性能的影響。a, 使用不同季胺基團TMA離子聚合物的MEA性能，測試條件為85℃，常壓，循環純水體系。b, 相同離子交換容量下HTMA-DAPP和TMA-53粘合電極下的MEA性能比較。
通過不同含量離子聚合物下陽極催化劑MEA的性能測試得出最佳含量為20 wt%。圖5顯示了NiFe雙金屬陽極催化下在60 ℃時0.1 M NaOH，1.0 M NaOH和85℃時純水體系中電解槽性能，其電流密度在1.8 V下分別為5.3，3.2和2.7A cm-2。而且其在電勢下，AEM電解槽在純水和1.0 M NaOH環境下的性能相當。而在純水體系中，AEM電解槽性能在高電流密度下明顯降低很大可能時由於反應水原料的傳輸阻力增大。通過AEM電解槽的和PEM電解槽電流密度的比較可知，在小於1.58 V下，NiFe陽極催化下的MEA性能（AEM）要好於鉑主族金屬催化的MEA性能（PEM）。而在電流密度大於1A cm-2時，PEM的電解槽性能要好於AEM的電解槽。
圖5. 非鉑族金屬陽電極催化下AEM電解池的性能。陰極催化劑中離子聚合物含量為20 wt%。
接下來，作者測試了AEM電解槽在純水體系中的壽命。圖6a顯示NiFe催化下AEM電解槽以恆定200 mA cm-2電流密度工作時，在60 ℃和85 ℃下槽電壓在10小時以內都顯著增加，同時觀察到催化劑顆粒從陰陽兩極脫落。這表明高IEC值的離子聚合物並不具備好的粘合力使催化劑和電極牢固粘合。而低IEC值下的離子聚合物TMA-53在60℃下工作可以保持非常好的穩定性（圖5b）。
圖6b. NiFe陽極催化下AEM電解槽的穩定性。a，使用TMA-70離子聚合物在85 ℃和60 ℃下以200 mA cm
-2恆定電流密度工作時MEA的穩定性。b，使用TMA-53離子聚合物在60 ℃下以200 mA cm-2恆定電流密度工作時MEA的穩定性。總結作者通過設計合成了具有側鏈氨基修飾苯環且具有高的離子交換容量的離子聚合物材料來粘合催化劑和電極材料，實現了在使用非鉑族金屬催化劑下，其電解池性能與PEM電解池性能相當。這為製備高性能，低成本的AEM電解質膜提供了新的思路。
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