综述：基于 MXene 的界面工程电催化剂与人工智能驱动策略用于先进阴离子交换膜水及海水电解

《Materials Science and Engineering: R: Reports》：MXene-based interface-engineering electrocatalysts and artificial intelligence-driven strategies for advanced anion exchange membrane water and seawater electrolysis

　　

摘要

通过水电解制备绿氢是实现可再生能源集成和低碳发展的有前景的途径。在电解技术中，阴离子交换膜水电解（AEMWE）因可实现碱性操作、使用地壳丰产催化剂且可采用更低成本的系统组件而日益受到关注。然而，由于界面电阻、催化剂-离聚物不相容、传质限制、膜降解以及长期耐久性问题，将三电极测试中的高电催化活性转化到膜电极组件（MEA）运行中仍然具有挑战性。在此背景下，二维MXene基材料凭借其高电导率、可调表面端基、亲水性、结构柔韧性与催化相的强界面耦合等优势，已成为AEM水和海水电解的有前景的平台。本文系统评述了MXene基催化剂及膜相关系统的最新进展，重点关注异质结构工程、多组分纳米复合材料、缺陷调控以及表面/界面调节。文中探讨了MXene作为导电支架、电荷转移介质、吸附能调控剂、催化剂分散载体及传质促进剂在HER/OER动力学与稳定性方面的作用。特别关注了海水电解，其中氯离子诱导的腐蚀、竞争性的氯析出、盐沉积以及催化剂/膜的不稳定性仍是主要障碍。此外，本文还从表面端基、聚合物-MXene相容性、微相分离、溶胀控制、机械增强及气体渗透抑制等结构-性能关系角度，讨论了含MXene的阴离子交换膜的最新进展。最后，人工智能、机器学习和数字孪生框架作为描述符识别、催化剂与膜筛选以及MEA级性能预测的互补工具被提出。总体而言，本文对MXene赋能的界面工程在实现耐用且实用的AEM水和海水电解系统方面进行了批判性概述。

引言

人类发展依赖于能源，未来20年全球能源需求预计将增长近55%[1]、[2]。城市化的增长、工业扩张和技术的进步是这一增长的主要驱动力，而这些因素都将增加温室气体排放并加剧气候变化的影响[3]。目前，化石燃料供应着全球约80%的能源，导致资源枯竭和空气污染等重大环境问题[1]。根据联合国可持续发展目标（SDGs），特别是SDG-7（经济适用的清洁能源）和SDG-13（气候行动），全球社区正致力于到2050年实现净零排放以应对这些挑战[4]、[5]。为减少化石燃料对环境的有害影响，必须开发并利用清洁、可再生能源[6]。绿氢因其高质量能量密度、零碳排放以及在工业、交通和发电领域的广泛应用，日益被视为新一代清洁能源载体和可持续燃料[6]、[7]。全球能源系统的深度脱碳通常被认为依赖于向氢经济转型[8]。值得注意的是，每年大规模生产23亿吨氢气可将全球能源相关排放减少近18%[7]、[8]。与此同时，全球氢能市场预计2022年约为1550亿美元，在2023年至2030年间预计将以9.3%的复合年增长率（CAGR）增长[9]。为满足未来的能源需求并实现温室气体排放的大幅削减，将绿氢战略性地整合到现有能源基础设施中预计将发挥革命性作用[10]。

水电解已成为利用可再生电力生产绿氢的可行方法，以应对全球能源挑战并实现显著脱碳[11]。该过程通过电化学分解水产生氢气和氧气，产出高纯度氢气（>99.9%）。碱性水电解器、质子交换膜水电解器、阴离子交换膜水电解器和固体氧化物电解池是水电解技术的主要类别，按电解液和运行条件分类[12]。质子交换膜水电解器在相似的温度范围内使用酸性电解液，而碱性水电解器和AEMWE在相对低温（<100°C）条件下进行碱性操作[13]、[14]、[15]。相比之下，固体氧化物电解池在高温（800–1000°C）下运行，从而提高热力学效率。每种技术在成本、效率、耐久性和材料需求方面都有独特的优缺点[16]。AEMWE目前正作为一种有前景的桥梁，在碱性和PEM系统之间发挥重要作用，将非贵金属催化剂的优势与改进的系统效率相结合。然而，要在所有平台上实现大规模、低成本和长期制氢，仍需要重大突破[17]。图1a展示了用于性能评估的实验室级阴离子交换膜水电解系统[18]。该系统通常由电解槽储液器、循环泵、气液分离器和加热器组成，以确保受控的操作条件[19]。背压调节器控制产生的氢气和氧气，并使用气相色谱进行分析。系统的主要组件——阴离子交换膜电解槽——包括膜电极组件、气体扩散层、双极板、集流板和端板[20]、[21]。实验室级电堆通常采用方形和圆形两种几何结构，圆形布局在材料利用率和压力分布方面表现更优（图1b、c）。图1d展示了多电池AEM电解堆，各个电池串联连接以增加氢气产量[22]。每个电池具有相同的基本组件，包括膜电极组件、双极板和密封垫。图1e展示了实际的实验室级设计，可外部控制温度、电流密度和电解液流速等变量[23]。

提升AEM水电解性能需要先进的电催化剂和电极设计。由于界面条件和传质差异，催化剂活性通常使用三电极系统进行评估；然而，这些结果并不总能直接转化为全电池AEM电解器的表现[24]。MEA位于涂覆催化剂的电极和多孔传输层之间，是AEM电解器的关键组件。该结构出色的水和气体传输性能使其能够实现比三电极系统（~0.2 A cm?2）更高的电流密度（~2 A cm?2），导致半电池与全电池结果之间相关性较差[25]。此外，AEMWE中的OH?传输方式不同：OH?在原位生成并通过离聚物和膜传输，而在三电极系统中，催化剂浸没在富含OH?的碱性电解液中。因此，要对AEM水电解中催化剂和电极的性能进行实用评估，需要基于MEA的测试[26]。尽管MEA设计在器件层面带来了优势，但电催化剂的本征活性和稳定性仍然是决定AEM水电解整体效率和耐久性的关键因素。

阴离子交换膜水电解提供低内阻、高气体纯度和碱性操作环境。尽管AEM材料和MEA设计取得了近期进展，但AEM性能仍受限于对在高电流密度和苛刻条件下有效工作的高活性、高稳健性电催化剂的需求[11]、[15]。铂族金属，如Pt、Ru和Ir，因其高本征活性和有利的氢吸附特性，通常被用作氢析出反应和氧析出反应的参考催化剂[9]。然而，其大规模应用受到高成本、供应有限和耐久性问题的阻碍。Pt的价格约为每盎司1100-1200美元，即使低催化剂载量（~0.1–0.5 mg cm?2）也会显著增加电解器堆的价格[1]。此外，铂族金属价格波动剧烈，在某些地区的供应受到限制。铂族金属面临多项可持续性挑战，包括有限的全球储量、低效的回收和能耗密集的提取方法[29]。其广泛用于吉瓦级制氢可能会带来重大的材料供应限制。长期电解还可能导致铂族金属分解、表面氧化和纳米颗粒团聚，降低催化稳定性和活性表面积[30]。这导致电流分布不均匀和系统效率降低，因为在满足成本约束所需的低载量下维持均匀分散是困难的。因此，国际能源署和美国能源部（DOE）等能源机构已强调了对替代催化系统的迫切需求，并将铂族金属确定为止关键矿物[31]。DOE设定了雄心勃勃的制氢价格目标（到2031年达到每加仑汽油当量1–2美元），要求高电流密度（~1–3 A cm?2）、长期耐久性（~80,000 h）和更低的系统成本（~100 kW?1）。这些挑战强烈推动了实用AEM水电解中高效、可靠、可扩展的非贵金属电催化剂的开发[32]。

基于地壳丰产过渡金属的催化剂，特别是基于Co、Fe和Ni的材料，已被广泛研究作为碱性水电解中HER和OER的贵金属催化剂的经济替代方案。尽管这些催化剂通常表现出有前景的初始活性，但高过电位、缓慢的界面电荷转移、有限的活性位点利用率、表面重构、相不稳定性以及在高电流密度操作下的金属溶解仍限制其实用应用[28]。这些限制在海水电解中更为明显，其中Cl?腐蚀、竞争性的氯析出反应、盐沉积和气泡积聚进一步破坏了催化剂/电解液界面。因此，改进AEM水/海水电解不仅需要设计高活性的催化组合物，还需要优化控制电子传输、OH?/水可及性、中间体吸附、气泡释放、耐腐蚀性和长期结构稳定性的关键界面过程[19]。

在此背景下，MXene因其金属导电性、可调表面端基、亲水表面化学、二维形貌以及与过渡金属氧化物、氢氧化物、硫化物、磷化物、氮化物和单原子/团簇活性位的强耦合，已发展成为有前景的界面工程平台[33]。通过界面电子相互作用，MXene可以诱导电荷再分布、调节催化中心的电子结构，并优化HER/OER中间体的吸附/脱附能量。在结构方面，MXene基架构可以抑制催化剂团聚、暴露更多活性位点[34]、改善电解液渗透、降低电荷转移电阻，并促进高电流密度下的气泡脱离。这些功能在海水电解中尤为重要，因为催化剂表面必须在抵抗Cl?攻击、氯相关副反应和活性金属浸出的同时保持选择性OER活性[35]、[36]。

因此，本评述以MXene基界面工程为核心框架，将催化剂设计、AEM水电解、海水电解、膜/电极界面、降解机制和AI引导的优化连接起来。然而，本征MXene在OER和海水电解条件下也面临重要限制，包括表面端基钝化、纳米片再堆积、离子传输通道堵塞、氧化降解为TiO?/TiO?以及长期阳极操作过程中可能的导电性损失。因此，大多数高性能系统并非仅依赖本征MXene，而是将其与催化活性组分整合形成异质结构、复合材料、限域架构或重构界面[24]。这类MXene基复合系统结合了MXene的导电性、亲水性和界面可调性以及过渡金属基材料的本征催化活性，从而实现改进的HER/OER动力学、增强的耐腐蚀性和在实际AEM水和海水电解条件下更高的耐久性[29]。

因此，本评述旨在建立清晰的机理叙事，说明MXene界面工程如何应对目前限制AEM电解器实际开发的主要挑战，即活性、稳定性、传质和海水腐蚀问题[30]。近期几篇评述已从不同角度总结了AEM水电解、MXene基电催化剂和海水电解的重要进展。Wang等人评述了AEMWE非贵金属电催化剂的最新进展，重点关注机理洞察、催化剂设计、结构调控、界面工程、异质结构构建和电子结构调制以改善HER和OER动力学[37]。Altinisik等人[38]、Liu等人[39]、Vinodh等人[39]和Liu等人主要讨论了AEM的开发，包括聚合物结构设计、氢氧根离子电导率、膜降解、离子传输性能以及与电池性能相关的膜挑战[40]。Bernat等人从系统建模和性能分析的角度评述了AEM电解[41]，而Wang等人总结了基于AEM的海水电解潜力，特别关注氯腐蚀、催化剂失活和MEA级挑战[42]。此外，Pamungkas等人和Fatima等人讨论了MXene电催化剂用于HER/OER，强调了合成策略、表面功能化、异质结构形成以及对MXene材料的理论理解[43]、[44]。

然而，大多数现有评述分别处理这些主题，并未提供将MXene基界面工程与AEM水和海水电解的实用需求相联系的集中框架。特别是，MXene在调节催化剂载体电子耦合、HER/OER中间体吸附、OH?/水传输、催化剂层稳定性、氯耐受性、气泡释放、膜-电极相容性和MEA级耐久性方面的综合作用仍讨论不足。

因此，本综述的价值在于并非简单地分别概述阴离子交换膜水电解（AEMWE）、MXene或海水电解，而是建立了一种结构–界面–性能的关系，用以解释基于MXene的异质结构和复合材料如何改善催化活性、耐腐蚀性、质量传输以及电解槽的长期运行性能。此外，本综述还进一步讨论了MXene相关的降解机制、AEM/海水装置性能、可持续性考量以及AI/ML辅助的催化剂与膜设计。因此，本综述提供了一种聚焦且整合的视角，帮助理解并设计在实际运行条件下基于MXene的阴离子交换膜水/海水电解系统。

(1) 首先描述了控制AEMWE的基本反应过程，包括碱性环境和海水环境中的析氢反应（HER）、析氧反应（OER）以及析氯反应，重点强调了反应动力学和运行约束。此外，还着重介绍了MXene基纳米复合材料的合成方法，以改善催化性能。

(2) 随后介绍了基于MXene的电催化剂的最新研究成果，重点关注形貌控制、异质结构工程和多元组分设计以提高本征活性和电化学稳定性，以及用于阴离子交换膜水电解的高性能阴离子交换膜中的MXene基材料。

(3) 为了阐明催化行为，探讨了原子尺度的见解，如吸附能学、电子结构调控和界面电荷转移，特别关注海水电解中的难点，如氯离子引起的腐蚀和竞争性析氯反应（ClER）路径。

(4) 最后，强调了加速AEMWE技术合理设计与规模化的新方法，如数字孪生辅助系统优化和人工智能（AI）引导的催化剂发现。

**各节摘要**

**碱性AEM中电催化析氢反应机制**

阴离子交换膜水电解（Anion Exchange Membrane Water Electrolysis, AEMWE）是一项先进技术，在运行过程中通过膜传输OH?离子。与碱性和PEM系统相比，AEM电解槽通过在60–80°C下使用纯水或稀释的碱性电解质（约1 M KOH）运行，从而减少了腐蚀[28]。这使得可以使用廉价且易于获得的过渡金属催化剂。AEMWE能够提供高效率、高电流密度和快速的动态响应，从而实现大规模制氢……

**MXene介绍：结构、性能与潜力**

二维（2D）材料具有高长宽比和少原子层厚度，其独特的物理化学、电气和机械特性引起了广泛关注。这些材料表现出量子限域效应，增强了化学活性、机械强度和电子性能（图3）[59]。研究人员通过剥离由弱范德华力结合的层状三维前驱体来制备这些材料。自石墨烯的发现以来，研究人员一直在……

**MXene基电催化剂在阴离子交换膜水电解与海水电解中的最新进展**

减少对Pt、Ir或Ru等贵金属的依赖——这些贵金属在传统OER/HER催化剂中占主导地位，可占AEMWE电堆总成本的约40–50%——是阴离子交换膜水电解中开发MXene基电催化剂的主要驱动力[89]。海水电解面临额外的挑战，包括竞争性析氯、催化剂腐蚀和离子传输受阻，因此需要强效、高选择性且廉价的催化剂。在两种……

**MXene基AEM发展中AI引导的见解与未来趋势**

尤其是对于MXene及其纳米复合材料系统，机器学习和深度学习相比传统理论或计算模型具有多种优势。同时，DFT能够提供关于电子结构和吸附能学的精确量子力学见解。然而，DFT计算成本高且耗时，尤其是对于大规模的多组分或缺陷富集系统的筛选[118]。但是，当使用高质量数据进行训练时（通常……

**MXene基阴离子交换膜水/海水电解的可持续性、可扩展性与未来可持续发展目标（SDG）视角**

水电解是可持续制氢的重要途径。然而，其对脱碳的真实贡献取决于可再生能源电力、地壳丰产催化剂、高效的膜电极组件以及电解槽的持久运行。在此背景下，阴离子交换膜水电解提供了一条技术上具有吸引力的路线，因为它可以在碱性条件下运行，可以使用非铂族金属催化剂，并提供一个平台……

**结论**

通过实现高效、可扩展的绿色制氢，阴离子交换膜水电解支持了向可持续氢能经济的转变。该技术通过支持可持续发展目标8（体面工作和经济增长），在电化学系统制造、氢气生产和可再生能源整合方面创造了就业机会。AEMWE与可持续发展目标7.2相一致，通过增强可再生能源……被定位为可持续经济增长和能源转型的关键推动力。

**CRediT作者贡献声明**
Yong Liu：写作–审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取。C. Kalaiselvi：写作–初稿撰写、调查研究、概念构思。Mohideen Mohamedazeem：可视化、方法论。Ce Wang：监督、资源。Ping Hu：监督、资源。

**关于写作过程中使用生成式AI及AI辅助技术的声明**
作者使用ChatGPT（OpenAI）和Grammarly进行语言润色；所有科学内容由作者构思并验证。

**利益冲突声明**
作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

**致谢**
本工作得到以下项目资助：一带一路聚合物纳米材料联合实验室（Z251100007125005）。C. Kalaiselvi目前在中国北京化工大学刘勇教授指导下从事博士后研究工作。她此前在印度泰米尔纳德邦金奈SSN工程学院获得了IPDF（印度博士后奖学金），并从印度泰米尔纳德邦Vellore理工学院Vellore分校获得博士学位。她还被中国台湾地区"国家科学及技术委员会"（NSTC）2023–2024年度国际实习试点计划选中。她的……

C. Kalaiselvi | Mohamedazeem M. Mohideen | Ce Wang | Ping Hu | Yong Liu
北京化工大学材料科学与工程学院，先进功能聚合物复合材料北京市重点实验室，北京 100029，中国