陰離子交換膜電解水(AEM-WE)制氫技術(shù)因兼具堿性電解水的低成本與質(zhì)子交換膜電解水的高效率，被視為一種極具發(fā)展前景的綠色制氫途徑。然而，在工業(yè)電流密度下，陽極催化劑表面因水氧化反應(yīng)過程中快速積累大量H+，導(dǎo)致局部pH值降低，進而引發(fā)催化劑發(fā)生化學(xué)腐蝕，顯著降低器件性能和長期穩(wěn)定性。盡管已有多種策略（如結(jié)構(gòu)優(yōu)化、缺陷工程、陰離子工程、活性物種溶解/再沉積、超薄納米片制備等）被提出用于緩解活性位點溶解，但這些方法均未能從根本上解決該問題的核心矛盾——膜-催化劑界面OH?傳輸動力學(xué)不足。因此，突破AEM-WE技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)變研究思路，聚焦于動態(tài)調(diào)控催化劑與膜界面微環(huán)境，致力于顯著增強從陰離子交換膜向催化劑活性位點的OH?通量，從而確保活性中心維持足夠的OH?濃度以有效中和反應(yīng)中產(chǎn)生的H+，最終實現(xiàn)高效且穩(wěn)定的AEM-WE性能。
近日，西湖大學(xué)的孫立成教授及其團隊通過簡單梯度浸泡法制備了一種兩性離子修飾的NiFe催化劑(z-NiFe)，用于高效且超穩(wěn)定的陰離子交換膜電解水體系。 在AEM-WE器件中，兩性離子中的季銨鹽陽離子和陰離子交換膜中的季銨鹽陽離子協(xié)同構(gòu)建了一個動態(tài)自適應(yīng)的OH?傳輸網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)OH?從膜和電解液到活性位點的動態(tài)補充。這一動態(tài)OH?傳輸網(wǎng)絡(luò)在催化劑表面形成了一個局部富堿性的微環(huán)境，通過不斷中和水氧化反應(yīng)過程中積累的H+，有效抑制了催化劑的化學(xué)腐蝕。結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)和密度泛函理論(DFT)分析發(fā)現(xiàn)，在兩性離子中引入季銨鹽陽離子可降低吸附O*中間體的反應(yīng)自由能，從而顯著提升z-NiFe催化劑的本征活性。在實際的AEM-WE器件中，z-NiFe催化的器件在1,000 mA cm?2電流密度下的電池電壓為1.76 V，并表現(xiàn)出超過14,000 h (19個月)的創(chuàng)紀錄穩(wěn)定性，電壓衰減率僅為12.3 μV h?1。該研究所提出的微環(huán)境調(diào)控策略，深入研究了陰離子交換膜與催化劑之間的界面特性，為陽極催化劑的設(shè)計及其與膜材料的協(xié)同作用提供了新思路。 論文信息 Zwitterion-Modified NiFe OER Catalyst Achieving Ultrastable Anion Exchange Membrane Water Electrolysis via Dynamic Alkaline Microenvironment Engineering Wenlong Li, Yunxuan Ding, Yilong Zhao, Zhiheng Li, Gaoxin Lin, Linqin Wang, Licheng Sun Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202505924
