新型界面工程突破纯水阴离子交换膜电解槽耐久性瓶颈阴离子交换膜水电解器作为一种具有潜力的低成本、可扩展氢能技术，因其能够直接使用纯水作为进料、兼容非贵金属催化剂及低成本堆栈组件而备受关注。然而，其阳极离子聚合物在强碱性操作环境下易发生电化学氧化降解，导致器件性能迅速衰减。尤其是在无支持电解质条件下，传统AEMWE的降解速率远高于质子交换膜水电解器，这成为其商业化应用的主要障碍。近日，加州大学伯克利分校Shannon W. Boettcher课题组提出了一种通过界面工程提升AEMWE耐久性的新策略。研究人员在离子聚合物中引入无机分子添加剂，使其在电极制备过程中与离子聚合物共组装，形成稳定的保护性界面。该技术使纯水进料的AEMWE在2.0 A/cm²电流密度和70°C条件下，实现了每小时低于0.5毫伏的极低降解率，耐久性提升了超过20倍。相关论文以“Durable, pure water–fed, anion-exchange membrane electrolyzers through interphase engineering”为题，发表在Science上，论文第一作者为Hou Shujin。研究团队以锆丙氧化物为例，展示了添加剂如何在水和离子聚合物中发生水解与缩合反应，形成金属氧/羟基低聚物，并与离子聚合物发生交联。这一过程在电极涂层中构建出兼具高离子传导性和抗氧化能力的无机-有机复合界面。通过优化离子聚合物与添加剂的质量比例，研究人员发现当比例为23:1时，器件在初始性能与长期稳定性之间达到最佳平衡。图1：AEMWE器件中固体电解质界面的工程设计 （A）通过离子聚合物与锆氧/羟基低聚物交联制备有机-无机凝胶的过程示意图。 （B）纯水进料的AEMWE单电池结构示意图。 （C）位于离子聚合物与阳极催化剂之间的添加剂-离子聚合物界面结构假设图。圆柱体代表多孔传输层的不锈钢纤维，其表面覆盖纳米片状催化剂，随后被添加剂-离子聚合物填充。在性能测试中，采用该添加剂体系的AEMWE在长达400小时的连续运行中未出现明显失效，平均降解率在2.0 A/cm²下仅为0.49 mV/h。不仅如此，该策略适用于多种阳极催化剂，包括电沉积钴氢氧化物、商业Co₃O₄和IrOₓ等，均展现出显著优于传统离子聚合物体系的稳定性。图2：纯水进料下AEMWE的性能表现 （A）使用电沉积钴 hydroxide 作为阳极催化剂的AEMWE在测试开始与结束时的极化曲线，对比有无添加剂的情况。 （B）在1.0与2.0 A/cm²电流密度下，使用添加剂-离子聚合物涂层的电极进行长时间稳定性测试，显示极低的降解率。 （C）不同阳极催化剂在1.0与2.0 A/cm²下的测试开始与结束电压对比。 （D）四种不同阳极催化剂在2.0 A/cm²下20小时测试中的降解率，显示添加剂带来的显著耐久性提升。微观结构分析进一步揭示了保护性界面的形成机制。低温透射电镜图像显示，在含有添加剂的样品中，离子聚合物内部和催化剂表面分布有纳米级ZrOₓ富集区域。这些区域在运行过程中逐渐向催化剂界面富集，形成一层多孔、亲水、可传导氢氧根离子的保护层，有效阻隔了离子聚合物的持续氧化降解。图3：保护性界面层的微观证据 （A）未添加剂的e-Co(OH)₂-离子聚合物样品在电化学测试前的低温电镜图像。 （B）含添加剂的样品在测试前显示出纳米级暗色区域，对应于分散在离子聚合物中的ZrOₓ。 （C–F）截面扫描电镜图像与Zr元素分布图，显示在运行1小时、6小时和20小时后，Zr在催化剂-离子聚合物界面逐渐富集。 化学表征表明，添加剂与离子聚合物之间的相互作用是关键。X射线散射与红外光谱显示，Zr⁴⁺与碳酸根反离子之间形成配位键，促使无机低聚物作为交联点连接离子聚合物链，增强了材料的有序结构与离子传导通道。动态光散射结果进一步证实，添加剂引起离子聚合物分散体尺寸增大，说明其参与了组装过程。图4：无机添加剂稳定离子聚合物的化学相互作用 （A）离子聚合物与添加剂体系的共振小角X射线散射图谱，显示添加剂引入后的结构有序性。 （B）红外光谱显示添加剂与碳酸根反离子之间的配位作用。 （C）动态光散射分析显示添加剂引起离子聚合物分散体尺寸变化。 （D）添加剂-离子聚合物制备过程及其保护性界面形成机制的示意图。综上所述，该研究通过引入简单、可扩展的添加剂界面工程策略，显著提升了纯水AEMWE的耐久性，为解决其在实际应用中的稳定性难题提供了科学可行的路径。未来，结合高性能电催化剂、优化离子聚合物化学及界面设计，纯水AEMWE有望在性能与成本上超越现有电解水技术，成为氢能经济中的关键一环。