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12
2026
-
09
EES: 离聚物微环境调控气泡脱附，高电流密度稳定水电解
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背景
阴离子交换膜水电解（AEMWE）兼具非贵金属催化剂适用性、较高运行灵活性和潜在低成本等优势，但当电流密度提升至工业相关水平时，限制性能的因素已经不只是催化反应动力学和离子传导，催化层内部的气泡传输逐渐成为关键瓶颈。水电解发生在气体、电解液和催化剂共存的三相界面，高电流密度下大量H₂和O₂快速生成，如果气泡不能及时脱离，就会在有限的催化层空间内持续积聚，不仅遮蔽活性位点、阻碍水和OH⁻传输，还会增加局部欧姆和传质过电位，并在反复生长–脱附过程中产生动态机械扰动。过去解决这一问题主要依靠微纳结构电极或超疏气表面，将气泡管理视为一个“电极几何结构与表面润湿性”问题，但复杂结构往往面临规模化、机械稳定性以及与实际MEA制备工艺兼容性的挑战。实际上，遍布整个催化层的离聚物不仅是粘结剂和OH⁻导体，还直接决定局部润湿性、孔隙连通性以及催化剂–液体–气体界面环境。因此，一个更基础的问题是：能否不重新设计整个电极，而仅通过离聚物的分子结构主动调控气泡从成核到脱附的全过程？
创新
近日，中国科学技术大学徐铜文院士、葛晓琳教授团队提出“离聚物微环境工程”策略，将离聚物分子架构作为控制催化层气泡动力学的主动设计参数。与容易包覆催化剂颗粒的传统线性离聚物不同，研究采用刚性、三维支化且具有本征微孔的poly(aryl piperidinium)离聚物，其受限的链构象能够减少对催化剂表面的过度包覆，同时高亲水性和本征微孔结构在催化层内部建立相互连通的水和离子传输网络。更重要的是，这种微环境直接改变了气泡行为：促进大量纳米尺度气泡分散成核，同时降低气泡与电极界面的黏附，使气泡能够在长大之前更快脱离，从而避免少量大气泡长期占据催化层孔隙。多尺度原位成像进一步将离聚物分子结构与纳米至微米尺度的气泡数量、尺寸、黏附和脱附行为直接关联起来，并证实快速脱泡能够显著抑制高电流密度下的传质过电位。由此构筑的AEMWE在2.0 V下实现高达8.26 A cm⁻²的电流密度，并在80 °C、2 A cm⁻²下稳定运行超过1100 h；更进一步，当MEA面积放大至25 cm²后，体系仍能维持稳定的气体传输和电解性能，说明这一机制并不依赖复杂的介观电极重构。
意义
这项工作的核心意义在于，它重新定义了电解槽中离聚物的功能边界：离聚物不再只是负责“粘住催化剂+传导离子”的辅助组分，而可以通过自身分子结构主动塑造催化层的气–液–固微环境，进而成为调控气泡动力学和传质过程的功能材料。更具体地说，该研究建立了一条从“离聚物分子架构→催化剂包覆/水化通道→气泡界面黏附→成核与脱附→传质过电位→高电流密度稳定性”的跨尺度结构–性能关系。相比依靠微纳结构或超疏气表面让气泡更容易离开电极，这种策略进一步把气泡管理前移到了分子尺度：通过降低界面黏附，使气泡在催化层内部“更早生成、更小脱离、更少滞留”，从源头维持稳定的三相反应界面。25 cm²器件中的进一步验证也表明，这种微环境调控可以兼容实际MEA，而不必依赖复杂电极加工。因此，这项研究提供的不只是一个高性能AEMWE离聚物，而是一种更具普适性的设计理念——从追求离聚物的高离子电导率，进一步走向离子传输、界面润湿与气泡动力学的协同设计，为水电解、燃料电池以及其他伴随气体生成的高电流密度电化学体系提供了新的界面调控方向。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/nQAsMxdsqrBKIPyNq60U8A
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