在氫能產業化背景下，電化學氫氣壓縮機（EHC）以無運動部件、結構簡約、高效可靠的優勢，成為替代傳統機械壓縮機的有力候選。然而，在低相對濕度（RH）條件下，陽極側因質子傳輸伴隨水分向陰極遷移而趨于干燥，導致質子傳導阻滯，嚴重制約EHC的壓縮速率和能效。盡管先前研究嘗試通過提升膜電極（MEA）整體親水性或優化水管理結構來緩解陰極泛洪與陽極干涸，但仍難以在低濕度下實現持續的高效壓縮。為此，亟需從質子傳輸機理入手，設計“低濕度依賴”的質子通道，打破水依賴瓶頸，推動EHC在低濕環境中的廣泛應用。

本研究首次將氨基功能化的中空介孔二氧化硅（HMSN-NH₂）引入EHC陽極催化層，通過–NH₂與–SO₃H之間強的酸–堿相互作用構建了連續的“質子高速公路”，有效解耦了質子傳輸對環境濕度的依賴。在這一質子通道機制下，Grotthuss質子跳躍顯著增強，使得即使在僅50% RH條件下，EHC仍能保持卓越性能。具體說來，對于添加2.5 wt% HMSN-NH₂的膜電極，可在60 s內將氫氣壓縮至0.9 MPa，比商業Pt/C催化層所需時間縮短55%；在0.5 V電壓下，2.5% HMSN-NH₂ 膜電極電流密度達4.23 A cm^-2，幾乎為Pt/C（2.18 A cm^-2）的兩倍。此外，該MEA在25–100% RH范圍內壓縮和極化性能幾乎不變，充分證明了所構建酸–堿對質子通道的低濕度依賴特性。該論文以“Establishing Humidity-Independent Proton Pathways through Acid-Base Interactions for Enhanced Electrochemical Hydrogen Compressors”為題發表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

本工作通過溶膠-凝膠法合成HMSN，并進一步接枝官能團。通過SEM/TEM證實HMSN-NH₂納米球呈規整空心介孔結構，EDS面掃能譜圖說明Si、O、N均勻分布；FT-IR光譜中3280/3373 cm^-1的N–H伸縮振動峰以及TGA結果共同定量確認了氨基功能化及其程度。此外，氮吸附–脫附等溫線和BET分析揭示HMSN-NH₂比表面積為68.2 m² g^-1，平均孔徑約4.8 nm。

圖 1.（a）HMSNs-NH₂合成示意圖。 HMSN-NH₂的（b）SEM圖像，（c）TEM圖像，以及（d）元素面掃能譜圖。（e）HMSN、HMSN-COOH和HMSN-NH₂的FT-IR光譜。HSN、HMSN-COOH和HMSN-NH₂的（f）DLS數據和（g）Zeta電位。（h）HMSN-NH₂和HMSN的氮吸附-脫附等溫線。（i）HMSN-NH2的N 1s峰的高分辨XPS圖。（j）HMSN， HMSN-COOH 和 HMSN-NH₂的熱重曲線。

相關測試說明ACL的微觀結構演變及水管理性能。汞滲透測試表明，隨著HMSN-NH₂從0%增加至5%，催化層的平均孔徑顯著增長，總孔體積近線性增長，說明HMSN-NH₂有效優化了孔道結構。SEM表面形貌圖顯示，添加氨基納米球后催化層孔洞更加密集且連通。接觸角測試中，純Pt/C的ACL親水性較差（CA=139°），而2.5% HMSN-NH₂的ACL接觸角降至94°，水滴更易鋪展，吸水性由0.038 mg cm^-2提升至0.064 mg cm^-2，顯著增強了層內水分儲備。低濕度（50% RH）下電化學阻抗譜（EIS）進一步表明，HMSN-NH₂ 的ACL電阻顯著低于純Pt/C的ACL，為質子傳輸提供穩定的水環境。

圖 2. （a）商業 Pt/C 的催化層（CL） 和含 1%、2.5% 和 5% HMSN-NH₂ 的 CL汞侵入孔隙度測定結果。（b）0% 和 1% （c）2.5% 和 5% HMSN-NH₂ 的 CL 表面SEM 圖。商業 Pt/C 的CL 和2.5% HMSN、HMSN-COOH 和 HMSN-NH₂ 的 CL 的（d）接觸角和 （e）吸水率。（f）100% RH 和（g）50% RH 下獲得MEA 的Nyquist圖。（h）吸水率與 H₂/N₂ EIS 得出的 RCL （50% RH） 之間的相關性。（i）通過在 ACL 中保留 HMSN-NH₂增強質子轉運的示意圖。

相關測試說明ACL的微觀結構演變及水管理性能。汞滲透測試表明，隨著HMSN-NH₂從0%增加至5%，催化層的平均孔徑顯著增長，總孔體積近線性增長，說明HMSN-NH₂有效優化了孔道結構。SEM表面形貌圖顯示，添加氨基納米球后催化層孔洞更加密集且連通。接觸角測試中，純Pt/C的ACL親水性較差（CA=139°），而2.5% HMSN-NH₂的ACL接觸角降至94°，水滴更易鋪展，吸水性由0.038 mg cm^-2提升至0.064 mg cm^-2，顯著增強了層內水分儲備。低濕度（50% RH）下電化學阻抗譜（EIS）進一步表明，HMSN-NH₂ 的ACL電阻顯著低于純Pt/C的ACL，為質子傳輸提供穩定的水環境。

圖 3. HMSN-NH₂ 和 Nafion/HMSN-NH₂ 的 （a）FT-IR 光譜和 （b）XPS 光譜。（c）酸堿相互作用的電荷分析。（d）Nafion 膜和 Nafion/HMSN-NH₂ 的 AFM 相圖。（e）質子傳遞途徑和機制的 DFT 研究。

作者展示了低濕度下的電化學壓縮與極化性能。50% RH、0.3 V條件下，2.5% HMSN-NH₂ MEA的氫氣壓縮曲線明顯左移，僅60 s即可達到0.9 MPa；對比分別添加HMSN與HMSN-COOH的對照組，其壓縮時間分別為109 s和69 s，以及商業Pt/C的134 s，優勢顯而易見。極化曲線顯示，在0.5 V下HMSNs-NH₂的MEA電流響應最高，且在25–100% RH范圍內的歐姆電阻（RΩ）與CL電阻（RCL）變化幅度小于5%，體現了低濕度依賴通道的穩定性。循環壽命測試與ECSA分析亦表現出HMSN-NH₂的MEA優越活性與耐久性。

圖 4. 在 50 % RH 下，具有商業 Pt/C的CL 或 2.5 wt% HMSN、HMSN-COOH 或 HMSN-NH₂  MEA 的（a）氫氣壓縮曲線和（b）極化曲線（平均值± SD，所有電化學測量至少3次）。（c）從極化曲線獲得的 0.5 V 下電流密度。在陽極分別添加商業 Pt/C的CL、添加 2.5% HMSN、HMSN-COOH 或 HMSN-NH₂ 的 MEA的（d）EIS 曲線（e）RΩ和（f）電化學活性面積（ECSA）。

本工作在EHC研究領域取得了重要進展：一方面，將中空介孔結構的納米硅球引入EHC陽極側，利用其優良的親水性和中空“納米儲水罐”效應，顯著改善低相對濕度下ACL的水分環境，確保了持續的水分供應；另一方面，更為關鍵的是，基于–NH₂/–SO₃H酸–堿對構建了低濕度依賴的質子高速通道，通過強的酸堿相互作用，實現了質子在ACL內的連續、低能量傳輸，解耦了質子傳導與環境濕度。得益于此創新架構，2.5 wt% HMSN-NH₂的MEA在50% RH、0.3 V條件下僅用60 s即可將氫氣壓縮至0.9 MPa，其電流密度達到4.23 A cm^-2，相較傳統Pt/C催化層在相同條件下分別提升了55%和近100%。該策略不僅為低濕地區的氫能設備提供了可靠的技術路徑，也為未來利用多種酸–堿對或功能化材料構筑濕度獨立質子通道開辟了廣闊前景。