离子选择性界面工程实现不纯水电解的长期稳定制氢

《Nature Communications》：Ion-selective interface engineering for durable electrolysis of impure water

为解决不纯水（如海水、河水及工业废水）电解过程中因界面pH值剧烈波动及有害离子（如Cl-、Ca2+、Mg2+）引发的电极降解问题，研究人员开展了“离子选择性界面工程（Ion-Selective Interface Engineering, ISG）”主题研究。通过将离子选择性聚合物（如阴离子选择性PiperIon A-5与阳离子选择性Nafion）涂覆于商用Pt/C与IrOx催化剂表面，实现了选择性离子传输与界面pH稳定。该策略在未处理海水中实现了1500小时持续电解（电流密度200 mA cm-2），降解率低至5.2 mV kh-1，接近纯水电解的耐久性，且适用于质子交换膜（PEM）与阴离子交换膜（AEM）电解槽，为低品位水资源制氢提供了可扩展解决方案。

　　

随着全球淡水资源日益紧张，传统电解水制氢技术对超纯水的依赖不仅加剧了水资源压力，还推高了运营成本，限制了其大规模应用。相比之下，直接利用富含杂质的水源（如海水、河水或工业废水）进行电解，被视为一种可持续的替代方案。然而，杂质水中存在的多种离子（如钙、镁、氯离子）在电解过程中会引发电极界面pH值的剧烈波动（局部pH可偏离本体溶液5–9个单位），加速催化剂降解，并诱发副反应（如氯析出反应，ClER），导致系统稳定性大幅下降。现有技术虽能部分阻断离子，但难以有效调控界面离子传输与pH稳定性，导致杂质水中的电解寿命通常不足100小时，远低于纯水电解的1000小时。这一挑战的核心在于液相体系中离子传输速率缓慢，无法快速转移电解反应产生的H⁺与OH^-，从而无法维持界面稳定性。

针对这一难题，澳大利亚阿德莱德大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，提出了一种名为“离子选择性界面工程（Ion-Selective Gate, ISG）”的创新策略。该策略通过将离子选择性聚合物（离子omer）涂覆于商用催化剂表面，实现了对界面离子传输的精确调控，显著提升了杂质水电解的耐久性与效率。

研究团队采用的关键技术方法包括：通过有限元模拟（COMSOL Multiphysics）分析离子在电场下的迁移与浓度分布；利用电化学阻抗谱（EIS）测量催化剂层的离子电导率；通过原位拉曼光谱（Operando Raman）实时监测电极界面水分子氢键结构及沉淀物形成；结合X射线衍射（XRD）与X射线光电子能谱（XPS）对电极表面化学状态进行表征；并在质子交换膜（PEM）、阴离子交换膜（AEM）及隔膜模式电解槽中系统评估了ISG策略在不同pH环境与杂质离子条件下的长期稳定性。实验所用海水直接采集自澳大利亚阿德莱德亨利海滩，未经过滤或添加碱性试剂。

离子传输控制与界面稳定性

研究通过模拟与实验证实，ISG能有效阻断有害离子（如阴极侧的Ca²⁺/Mg²⁺与阳极侧的Cl^-）并促进功能性离子（H⁺/OH^-）的传输。EIS结果显示，ISG涂层使阴极催化剂层的OH^-电导率从4.12±0.96 mS cm^-1提升至12.31±1.95 mS cm^-1，阳极的H⁺电导率从9.40±1.08 mS cm^-1提升至18.43±2.66 mS cm^-1。这一特性显著抑制了局部pH波动，防止了沉淀形成与ClER的发生。

海水电解性能与长期稳定性

在未处理海水中，ISG保护的电解系统在200 mA cm^-2电流密度下稳定运行1500小时，平均电压仅为2.82 V，且氢气与氧气产量比始终维持在2:1，表明ClER被有效抑制。相比之下，未保护系统在20小时内电压骤升至4.5 V，并伴随活性氯浓度急剧上升（587.2±35.43 ppm）。ISG系统的降解率低至5.2 mV kh^-1，接近纯水电解水平。

界面pH与杂质耐受性

原位拉曼光谱显示，未保护阴极在电解过程中出现明显的Mg(OH)₂与Ca(OH)₂沉淀峰，而ISG涂层显著抑制了沉淀形成。同时，ISG在宽pH范围（1–14）内均能维持稳定的离子传输速率与法拉第效率（FE>90%），并对常见杂质离子（如Mg²⁺、Ca²⁺、Cl^-、SO₄^2-）表现出近100%的耐受性。

跨电解系统的普适性

ISG策略在PEM与AEM电解槽中均表现出优异兼容性。在PEM模式下，ISG保护的系统在1.0 A cm^-2电流密度下电压仅为1.81 V，且稳定运行超过100小时；在AEM模式下，系统电压从未保护的4.71 V降至2.87 V，并在200 mA cm^-2下稳定运行100小时以上。

本研究通过离子选择性界面工程成功解决了杂质水电解中的界面不稳定问题。ISG策略通过选择性离子传输与界面pH稳定，显著提升了电极在海水等复杂环境中的耐久性，其1500小时的稳定运行时间与低降解率标志着杂质水电解技术向实用化迈出了关键一步。该设计无需复杂催化剂改性或添加剂，可直接集成于现有电解系统，为利用低品位水资源大规模制氢提供了可行路径。未来通过优化离子omer组成与界面结构，有望进一步拓展其应用场景，推动可持续氢能经济的发展。