交流阻抗分析仪在阴离子交换膜电解槽(AEMWEs)的应用

中国科学技术大学姚涛教授课题组最近在Nat. Commun.上报道通过Cr掺杂合成一系列阴离子交换膜水电解槽（AEMWEs）的高性能非晶形金属氧化物催化剂（FeCrO_x, CoCrO_x, NiCrO_x），并且展示优异的电催化析氧反应(OER)性能。特别是CoCrO_x阳极催化剂在2.1V电压下达到1.5Acm^-2的高电流密度，并在0.5Acm^-2下的AEMWEs测试中保持了120小时以上，衰减小于4.9mVh^-1。如此出色的性能显示出广阔的工业应用前景，并为高效AEMWEs系统的设计提供了总体指导。

01电化学测试

该项研究选用了东华分析公司的交流阻抗分析仪（型号：DH7007）采用在工况下控制电流的原位交流阻抗（Operando EIS）技术来研究多款催化剂在AEMWEs电解水制氢过程中的催化性能，并发现其中CoCrO_x的性能最为优异。具体实验过程为在电解槽在0.5～2.5A电流范围内工作时，使用交流阻抗测试仪施加频率为0.1～10kHz、振幅为50～250mA（施加的RMS AC为相应DC的10%，MEA的有效面积为5cm²）的激励对AEMWEs进行EIS测量，结果如下图所示。

Fig. 1. Operando EIS measurements. Nyquist plots of AEMWEs obtained at different currents for (a) FeCrO_x, (b) CoO_x, (c) CoCrO_x and (d) NiCrO_x as the anodes (MEA area: 5 cm²).

Fig. 2. Nyquist plots of AEMWEs applying 1 A direct current (DC) and 100 mA root mean square (RMS) of alternating current (AC)

Fig. 1显示了CoO_x, FeCrO_x, CoCrO_x, NiCrO_x四款催化剂分别在不同电流下使用Operando EIS技术所得到的Nyquist图。图中显示出了AEMWEs中的三种不同电阻：欧姆电阻（OR）、电荷转移电阻（CTR）和质量传输电阻（MTR）。高频区的截距代表OR，而高频和低频区域的圆弧则分别表示与电化学反应相关的CTR和与反应物和产物的传输相对应的MTR。通过阻抗测试结果可以确定每个催化剂的电荷转移电阻及质量传输电阻。所得结果表明，随着电流的增加，电阻显著下降，这意味着在升高电流的电解过程中，电子转移更快，能量转换效率更高。

Fig. 2则为不同催化剂在1A直流电解工况下100mA交流激励下的阻抗对比图，显然，所有样品的OR值几乎相同，CoCrO_x表现出最低的CTR和MTR，表明其优越的活性来源于加速的电荷传输和降低的传质阻力。

02参考文献

Li, S., Liu, T., Zhang, W. et al. Highly efficient anion exchange membrane water electrolyzers via chromium-doped amorphous electrocatalysts. Nat Commun 15, 3416 (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41467-024-47736-0

03仪器推荐

DH7003B东华双通道电化学工作站（恒电流仪/恒电位仪/交流阻抗仪） 
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