一、 【科学背景】
阴离子交换膜水电解器（AEMWEs）作为一种具有潜力的绿色制氢技术，因其低成本和可扩展性而备受关注。然而，其阳极离子聚合物的电化学稳定性不足，严重制约了其实际应用。本研究通过界面工程策略，引入含无机物的分子添加剂，与阳离子聚合物共组装形成稳定的界面结构。实验结果表明，采用该策略的纯水进料AEMWEs在2.0安培每平方厘米电流密度和70℃条件下，降解速率低于0.5毫伏每小时，相较于传统AEMWEs，耐久性提高了20倍以上。其稳定化机制来源于金属氧代/氢氧化物低聚物与离子聚合物之间形成交联结构，以及在电解过程中，无机添加剂在阳极区域富集，形成一层界面层能够有效钝化阳极离子聚合物，防止其持续降解，同时保持了离子聚合物的机械完整性和氢氧根离子导电性。在此，美国加利福尼亚大学伯克利分校的Shannon W. Boettcher团队，提出的基于添加剂的界面工程策略，为开发无需支撑电解质的高性能、高耐久性AEMWEs提供了一种可行的技术路径，相关研究成果以“Durable, pure water-fed, anion-exchange membrane electrolyzers through interphase engineering”为题目，发表在国际顶级期刊Science上。该策略具有良好的普适性，可适用于多种催化剂和离子聚合物体系，有望推动电化学技术在更广泛领域的应用。
二、【科学贡献】
图1在阴离子交换膜水电解器（AEMWE）装置中构建固体电解质界面。© 2025 Science
图2以纯水为原料时的AEMWE性能。© 2025 Science
图3保护性界面层的微观研究证据。© 2025 Science
图4无机添加剂稳定聚合物的化学相互作用。© 2025 Science
三、【 创新点】
1. 通过对不同添加剂和离子聚合物的系统分析，揭示了其稳定化机制：金属氧代/氢氧化物低聚物与离子聚合物之间形成交联结构。
2. 在电解过程中，无机添加剂在阳极区域富集，形成一层界面层，该界面层能够有效钝化阳极离子聚合物，防止其持续降解，同时保持了离子聚合物的机械完整性和氢氧根离子导电性。
四、【 科学启迪】
本文通过引入并应用了界面工程策略于基于聚合物的电化学装置中，使得以纯水为原料的AEMWEs的耐久性提高了超过一个数量级。通过简单且可扩展的溶胶-凝胶化学方法形成的无机添加剂物种与聚合物之间的分子相互作用，是构建坚固且具有离子导电性的材料和界面的核心。在运行过程中，具有氧化惰性的ZrOₓ无机组分在催化剂界面处富集，防止聚合物的持续电化学氧化降解，同时增强并保持机械稳定性。将这些进展与更活跃的电催化剂相结合，例如在阳极使用高负载的金属钙钛矿氧化物和在阴极使用优化的PtRu催化剂，以及钝化层和聚合物化学的迭代改进，可能使纯水AEMWE成为一种具有颠覆性的商业电解制氢技术。更广泛地，这些方法可用于创建界面层，通过限制作用控制催化剂的溶解和再沉积，防止在基于烃类聚合物的装置（如质子交换膜燃料电池）中发生氧化副反应，并调节界面粘附性和催化剂层的机械性能。
原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw7100
