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2026

Nature子刊！基于调控阴离子交换膜结构的阳极增压水电解技术研究！

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阴离子交换膜水电解槽为实现低成本绿色H₂生产提供了一种颇具前景的方法，然而碱性介质与干阴极配置的结合本质上阻碍了充足H₂O/OH⁻传导，无法在高电流密度下实现运行。

2026年05月14日，清华大学史翊翔、合肥工业大学魏海兵团队合作在Nature Communications期刊发表题为“Anode-pressurized water electrolysis with modulated anion exchange membrane architecture”的研究论文，清华大学张蔚喆、合肥工业大学汪涛为论文共同第一作者，史翊翔、魏海兵、北京理工大学王博为论文共同通讯作者。

该研究开发了一种具有调制纳米多孔结构的喹啶鎓官能化膜，并利用其与阳极到阴极压力梯度调控配置的协同作用。通过促进H₂O在相互连通的亲水性纳米通道中的渗透，采用NiFe阳极在2 V和90°C下实现了11.2 A·cm⁻²的性能，同时足够的膜坚固性和耐久性使其能够在1 A·cm⁻²下运行2000小时，且衰减抑制在< 1 μV·h⁻¹。缩窄的(1–2 nm)气体通道与施加的压力梯度相协调，以减轻H₂交叉，提高了对各种静态-动态场景的适应性。优异的1.8 $·kg⁻¹的H₂平准化成本揭示了其大规模部署的前景，该研究所提出的膜-条件协同合作推动了下一代能源技术的创新。

面对摆脱对化石燃料依赖以及更好利用可再生能源的迫切要求，阴离子交换膜水电解槽(AEMWEs)被视为一种具前景的低成本绿色H₂生产技术。与碱性水电解槽(AWEs)共享温和环境，AEMWEs始终允许使用低成本催化剂，并且其类似于质子交换膜水电解槽(PEMWEs)的紧凑结构提供了降低的内阻。为了促进非贵金属电极的电化学动力学，高温(ET)运行已被广泛采用以实现增强的性能。近期研究已表明AEMWEs有望实现超过10 A·cm⁻²的电流密度，这表明其在大规模应用中具有巨大前景。

然而，在高电流密度下追求AEMWE运行本质上受到碱性介质和干阴极配置组合的限制。高性能AEMWEs具有*小化移除所生成H₂的阻碍和降低的设备复杂度，通常仅在阳极侧循环KOH溶液作为支撑电解质。在这种配置下，H₂O通过在其浓度梯度(Δc)下扩散穿过AEM到达阴极。此外，电场(ΔE)驱动的OH⁻向阳极迁移会电渗透地将H₂O拖向相反方向，这建立了一个反向扩散通量并施加了严格的H₂O管理要求。因为H₂O在碱性环境中同时充当OH⁻的溶剂化介质和阴极反应物，这种竞争同时损害了离子传输和反应物可用性，从而在高电流密度下成为一个严重的约束。对于相变边界附近产生的大量焦耳热，阴极干燥风险的增加进一步对高温下的耐久运行提出了严峻挑战。相比之下，这种限制对于电流密度显著较小的AWEs并不占主导地位，并通过双面进液模式得到缓解。同时，干阴极PEMWEs中的H₂O传输通过带正电荷的H⁺的迁移得到促进。酸性条件下H₂析出对H₂O的独立性也消除了反应物短缺的可能性，共同缓解了H₂O传导不足的影响。

从膜设计角度来看，促进H₂O/OH⁻传导通常通过增加阳离子官能团密度以获得更高的离子交换容量(IECs)和/或将固有的纳米孔引入刚性、扭曲的主链中来实现。然而，伴随的溶胀会削弱尺寸完整性并降低机械坚固性，这阻止了在更严酷腐蚀和气泡攻击下的高温可靠运行。此外，为H₂O传输创建的通道也容易被较小的H₂分子进入。鉴于水电解产生的H₂量是O₂的两倍，局部压力积聚促使H₂从AEM/阴极界面穿过膜微孔并与阳极O₂混合。当AEMWEs在低负荷或动态模式下运行时，显著的H₂交叉会加剧产物损失和形成爆炸性混合物的潜在风险，阻碍它们与可再生能源的有效耦合。因此，通过增加水吸收来不加区分地*大化H₂O/OH⁻传导与对足够运行稳定性和气体阻隔性能的需求相冲突，后者在实际部署中同等（甚至更加）重要。

然而，AEMs的纳米尺度结构能够传递压力以引导质量-电荷迁移，并为结合合理调控的构型提供可能性。在此，该研究提出了一种结构调制的喹啶鎓官能化AEM，同时利用其与具有阳极到阴极压力梯度(ΔP，图1d)的ET-AEMWE运行的协同作用。通过在相互连通的亲水性纳米通道中引入压力驱动的渗透，该研究的ET-AEMWE在使用NiFe阳极时在2 V下实现了11.2 A·cm⁻²的性能，并且足够的膜坚固性和稳定性允许在1 A·cm⁻²下运行2000小时。缩窄的气体通道也与ΔP协同减轻H₂交叉，从而增强了ET-AEMWEs对不同静态-动态场景的适应性。这些优势的整合开启了一条具有成本竞争力的H₂生产的关键途径。更广泛地说，该研究通过协调材料设计与条件工程，推动了下一代能源技术的创新。

总之，该研究协同了结构调制的AEM和阳极增压配置，为ET-AEMWEs在电解性能、操作灵活性和成本效益方面实现了同步增益。跨互连亲水性纳米通道的压力驱动H₂O渗透维持了充足的H₂O/OH⁻传导和反应物供应，而缩窄的(1–2 nm)通道与ΔP协同减轻了H₂交叉。总的来说，这些因素归因于降低的比电耗和与可变可再生能源的改善兼容性，为ET-AEMWEs的规模化和部署铺平了道路。基于对同样具有耦合传递现象的电化学和更广泛领域系统(例如H₂O/CO₂电解器、燃料电池和储能装置)的扩展视野，这种膜-配置协同合作突显了将材料设计与条件工程相结合的思路，并为下一代能源技术的发展提供了信息指导。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/PYpziPFjcDIo9ViRd4d4TQ