阴离子交换膜水电解槽（AEMWE）有望实现规模化、低成本的制氢，但其阳极离聚物的电化学不稳定性限制了实际应用。

2025年10月16日，美国加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室Shannon W Boettcher在国际知名期刊Science发表题为《Durable, pure water-fed, anion-exchange membrane electrolyzers through interphase engineering》的研究论文，Shujin Hou为论文第一作者，Shannon W. Boettcher为论文通讯作者。

在本文中，作者报道了一种含无机分子添加剂的界面工程策略。

该添加剂可与离聚物共组装，使纯水供料的AEMWE在2.0 A/cm²电流密度和70 ℃条件下实现每小时<0.5 mV的衰减速率，耐久性提升超20倍。

通过对不同添加剂与离聚物的系统分析，发现稳定机制源于金属氧/羟基低聚物与离聚物间形成的交联网络。

在运行过程中，无机添加剂发生富集，在水氧化催化剂附近形成界面层，该界面层在维持力学完整性和氢氧根传导性的同时，能有效保护阳极离聚物免受持续降解。

这种基于添加剂的界面工程策略为开发无需支撑电解质的耐久AEMWE开辟了新路径，且该策略可适配不同催化剂与离聚物体系，具有广泛适用性。

图1. AEMWE装置中固体电解质界面的工程化构建。(A) 通过离聚物与锆氧/羟基低聚物交联制备有机-无机凝胶。(B) 纯水供料AEMWE单电池结构示意图。(C) 位于离聚物与阳极催化剂之间的添加剂-离聚物界面结构假设模型。圆柱体代表多孔传输。层的不锈钢纤维，其表面预先包覆片状催化剂，最后进行添加剂-离聚物复合填充。

图2. 纯水供料条件下AEMWE的性能表现。(A) 采用电沉积氢氧化钴[e-Co(OH)₂]作为阳极催化剂层的AEMWE电池在测试初期（BOT）与测试末期（EOT）的极化曲线对比。(B) 采用添加剂-离聚物包覆e-Co(OH)₂阳极的恒电位稳定性测试（1.0与2.0 A cm^-2），三组装置测试分别持续123、200和400 h且未发生故障。(C) 不同阳极催化剂在1.0与2.0 A cm^-2电流密度下的BOT与EOT电池电压对比。(D) 使用上述四种阳极催化剂的AEMWE在2.0 A cm^-2电流密度下运行20 h的衰减速率对比，结果显示添加剂构建的界面层显著提升了各体系的耐久性。

图3. 保护性界面层的微观证据。(A) e-Co(OH)₂-离聚物与(B) e-Co(OH)₂-添加剂-离聚物界面在电化学测试前的低剂量冷冻电镜图像。(B)中插图为红色框区域的放大视图，显示与ZrO_x在离聚物中分散相一致的纳米级暗色特征。(C-F) 截面SEM图像及Zr元素的EDX面分布图，附相应垂直于催化剂-离聚物界面方向的积分强度曲线：(C) PTL基底上的e-Co(OH)₂-添加剂-离聚物原始样品，及在2.0 A cm^-2条件下分别测试(D) 1 h、(E) 6 h和(F) 20 h后的样品。

图4. 无机添加剂稳定离聚物的化学作用机制。(A) PiperION离聚物（下图）与添加剂-离聚物（上图）在Zr K吸收边附近的共振小角X射线散射谱。(B) 离聚物与添加剂-离聚物薄膜的衰减全反射傅里叶变换红外光谱。(C) 离聚物分散液与添加剂-离聚物溶胶溶液的动态光散射分析。(D) 添加剂-离聚物制备过程及其形成保护性界面层的内在机制示意图。

综上，作者将界面工程技术成功应用于离聚物基电化学器件，使纯水供料的阴离子交换膜水电解槽耐久性提升超一个数量级。

通过简单且可规模化的溶胶-凝胶化学形成的无机添加剂与离聚物之间的分子相互作用，是构建坚固且具有离子传导性的材料及界面的关键。

在运行过程中，氧化惰性的ZrO_x无机组分在催化剂界面处富集，在维持机械稳定性的同时，有效阻止离聚物的持续电化学氧化降解。

将这些进展与更高活性的电催化剂相结合，例如采用高负载金属钙钛矿氧化物阳极和优化的PtRu阴极催化剂，辅以钝化层技术及对离聚物化学的迭代优化，有望使纯水供料AEMWE成为具有颠覆性意义的商业化制氢电解技术。

更广泛而言，这些方法还可用于构建能限制催化剂溶解与再沉积的界面层，防止碳氢离聚物器件（如质子交换膜燃料电池）中的氧化副反应，并调控界面粘附性与催化剂层力学性能。

Durable, pure water-fed, anion-exchange membrane electrolyzers through interphase engineering. Science, 2025. DOI:10.1126/science.adw7100.