通过水凝胶界面分离气体动力学和电荷传输，以实现绿色氢电解器的高效运行

《Applied Catalysis B-Environment and Energy》：Decoupling gas dynamics and charge transport via hydrogel interfaces for green hydrogen electrolyzers

水凝胶基聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)网络与外延生长铜簇构建的亲水界面有效解决了水电解器中气泡积累导致的效率与寿命问题，实现1000 mA/cm2电流密度下氢氧过电位分别为169 mV和333 mV，1000小时稳定电压1.74 V，并耦合光伏模块达成19.9%的太阳能制氢效率。

　　

杨家伟|洪飞阳|孙飞青|高一帆|单冰

中国浙江省杭州市浙江大学化学系，310058

摘要

水电解器是实现绿色氢生产转型的关键；然而，其效率和耐用性仍受到与气泡积聚相关的界面问题的限制。在这里，我们展示了由基于水凝胶的聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)网络与外延生长的铜簇组成的分子工程亲水界面，旨在将气泡管理与反应表面的电荷传输分离。这些界面能够快速排出气泡并增强质量传输，同时保持高效的电荷传输路径，克服了传统金属/碳基系统的固有局限性。通过添加NiS₂和NiFe催化剂，这些工程化界面在1000 mA cm^?2的电流下实现了水分解，过电位极低，分别为169 mV（产氢）和333 mV（产氧），并且电池电压稳定在约1.74 V，持续时间超过1000小时。当与光伏模块结合并在集中阳光照射下运行时，该系统的太阳能到氢气的转换效率达到了19.9%，这表明了一条可行的大规模、高效绿色氢生产途径。

引言

氢（H₂）是一种重要的工业原料，在化肥生产、石油精炼和氢化过程中发挥着不可或缺的作用。同时，它作为一种清洁和可持续的能源载体，正迅速取代传统的化石燃料。当水电解由集成可再生能源系统驱动时，提供了一种可扩展且前景广阔的方法来生产高纯度的绿色H₂，为满足日益增长的清洁能源和工业原材料需求提供了可靠的方式[1]、[2]、[3]、[4]。在以高电流密度运行的工业水电解器中，增强电荷和质量传输至关重要，但这一过程受到催化剂-离子交换膜界面处气泡快速形成的挑战[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。产生的气泡会屏蔽活性催化位点，干扰电荷传输和离子扩散路径，并产生局部电阻——这些现象统称为“气泡效应”[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。这种对反应界面的阻碍不仅增加了欧姆损耗和过电位，还加速了催化剂的失活，直接影响了运行效率和系统的使用寿命。因此，先进的气泡管理策略对于减轻气体积聚、优化界面动力学以及在工业相关电流条件下维持高效H₂生成所需的性能稳定性至关重要[16]、[17]、[18]、[19]。

先前的研究表明，通过提高催化剂表面的亲水性，可以促进气泡在催化剂-电解质界面的脱附和质量传输[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。然而，电极整体亲水性的提高受到金属电极固有属性的限制。此外，尽管碳布和纸等常用的碳基基底在水电解器中广泛应用，但它们的亲水性甚至低于金属电极，这进一步增加了实现高效气泡管理和质量传输的难度[26]、[27]、[28]。这些材料固有的局限性凸显了需要新的方法来优化水电解器中的表面相互作用。分子聚合物薄膜由于其可调的亲水性、高表面积和结构灵活性，已成为功能性材料的多功能平台，特别是在水电解催化领域。最近的进展包括将水凝胶型聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)与导电共聚物结合，以制造亲水电极，从而改善了在水电解质中的质量传输[29]、[30]、[31]。虽然共聚物提高了电导率，但它们的加入往往会降低亲水性，这对实现最佳电解性能构成了挑战。因此，在保持高电导率和保持亲水性之间取得平衡对于提高电极材料在电催化应用中的效率和实用性至关重要。

在这里，我们展示了由水凝胶型聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)网络与外延生长的铜簇（记为PCu）组成的分子工程亲水界面，旨在解决水电解器中的质量传输限制和气泡引起的效率低下问题。这些超亲水界面能够实现即时气泡脱离和电解质渗透，而外延Cu簇则形成了不间断的电荷传输路径，解决了传统金属/碳基系统中表面润湿性和导电性之间的长期矛盾。当这些界面经过NiS₂（阴极）和NiFe（阳极）催化剂的功能化处理后，在1000 mA cm^?2的电流下实现了水分解，过电位极低，分别为169 mV（产氢）和333 mV（产氧），并且电池电压稳定在约1.74 V，持续时间超过1000小时。当与光伏模块结合并在集中阳光照射下运行时，该系统的太阳能到氢气的转换效率达到了19.9%，这表明了一条可行的大规模、高效绿色氢生产途径。

部分摘录

聚(3,4-乙烯二氧噻吩)（PEDOT）共聚物网络（CN）电极的合成

主要共价骨架（CS）是通过N,N-二甲基丙烯酰胺（DMA）（2.7 M）和4-乙烯基苯磺酸钠（SS）（0.30 M）在二甲基亚砜（DMSO）和去离子水的混合溶剂中（体积比：1:1）进行热引发自由基共聚反应合成的，使用二乙烯基苯（DVB）（0.10 M）作为交联剂，2,2'-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐（35 mM）作为热引发剂。然后将溶液倒入定制的硅模板中

亲水界面的设计

用于气体释放反应的传统电极，如多孔碳基和金属基电极，存在亲水性不足和活性表面积有限的严重限制。亲水性不足阻碍了气体气泡从电极-电解质界面的有效脱附，导致气泡积聚，从而阻碍了离子扩散并增加了过电位损失[37]。同时，有限的活性表面积也减少了催化剂的负载量

结论

总之，本研究建立了分子工程亲水界面，将水凝胶聚(N,N-二甲基丙烯酰胺)网络与外延铜簇结合，以解决水电解器中的质量传输和极化问题。这些界面将超亲水性与电导率分离，实现了快速的气泡脱离和电解质渗透，同时保持了高效的电荷传输，从而解决了

CRediT作者贡献声明

杨家伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，方法学，研究，数据分析，概念化。孙飞青：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。洪飞阳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，项目管理，方法学，研究，数据分析，概念化。高一帆：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，研究。单冰：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号22109136和22379129）、中央高校基本科研业务费（编号226–2022–00224）以及浙江大学****的资助。我们感谢浙江大学化学仪器中心的刘雅琴博士、何巧红博士、王新宇博士、丁晓坤博士、庄进博士、史迪尔博士、赵一帆博士、胡秀荣博士和于明新博士在结构方面的技术支持