電化學工作站知識 | PEM電解水參比電極的引入

PEM 電解水裝置中引入參比電極新策略

PEM電解水以高電流密度，高效的電壓利用率和高純度的產氫成為熱門電解水研究型別。但PEM電解水反應中，涉及陰陽極，催化劑，質子交換膜，氣體擴散層(GDL)和鈦基-多孔傳輸層(PTL)等關鍵部分，使得研究過程異常複雜。

近期，德國慕尼黑工業大學的Hubert A. Gasteiger 教授團隊，開創性的在PEM電解水裝置中，正負極之間插入一個鉑絲參比電極，並結合電化學交流阻抗技術(EIS)，來同步監測電解水池中正極和負極的變化。

參比電極引入的具體方法

使用直徑50 μm的Pt 絲，外層包覆9 μm PTFE 絕緣層作為參比電極。為了確保良好的電子和離子接觸，Pt絲前端去除約1cm的絕緣層。另外一端插入兩個Nafion 212膜電極中間(厚度50 μm)，分別將正極和負極材料在155°C，2.5 MPa下熱壓3min，為了保護Pt絲接觸的介面，將40 μm厚度的聚丙烯膜熱壓於接觸點上。

Pt參比電極引入的優勢

• 可利用輔助分壓結合阻抗分析

• 診斷出陽極的質子傳導阻抗，陽極催化層的電容等

• 區分陰陽極各自的高頻阻抗

• 新工具可應用於不同壓力測試下的效能下降診斷

• 在低電流、高電流及無電流(開路電位下)交替變換，模擬電解水波動操作

• 揭示出效能下降，陽極和多孔傳輸層(PTL)接觸電阻增大的相關性

上圖為OCV-AST 測試步驟，圖a中為不同電流密度及開路電位變換，模擬電解水波動狀態。圖b顯示出陰陽極所對應的電壓變化。當電流中斷為0A時，電壓大約在10min後降低為0V，這歸結為陰極的氫氣穿透膜後在陽極累積形成高壓約10 bar，同時陽極電勢較低約0V，IrO2被還原形成金屬Ir，從而導致HOR反應發生。

上圖a 顯示了整體阻抗，第一次(黑線)和第70次(黑色圈)OCV-AST測試後的對比，同時也顯示出陽極對參比的阻抗響應，表現出預期的阻塞電極響應，圖b為相同條件下的陰極對參比電極的阻抗響曲線，陰極的阻抗相對於陽極及整體阻抗較小。

參考資料

[1] A Platinum Micro-Reference Electrode for 

     Impedance Measurements in a PEM Water 

     Electrolysis Cell, Hubert A. Gasteiger et.

     Journal of The Electrochemical Society, 

     2021，168，114511