凌涛教授、潘曹峰教授、杨雨廷教授，Nature子刊：抛弃KOH，“局部造碱”新策略让阴离子交换膜纯水电解性能翻8倍！

第一作者：郭佳欣，王如广

通讯作者：凌涛、潘曹峰、杨雨廷

单位：天津大学、北京航空航天大学、新墨西哥大学

质子交换膜水电解（PEMWE）虽为当前主流纯水制氢技术，但其依赖铱、铂等贵金属催化剂，资源稀缺与成本高昂制约其规模化发展。阴离子交换膜水电解（AEMWE）可使用非贵金属催化剂，极具成本优势，但其在纯水中的性能远不及PEMWE——电流密度低（0.2–0.8 vs. 2.0–3.0 A cm⁻²）、寿命短（<200 h）。根本原因在于阴离子交换膜中OH⁻电导率比质子膜低1–2个数量级，导致OH⁻传输缓慢、阳极局部酸化，严重拖累反应动力学并腐蚀系统。以往研究或试图改进膜材料（常伴随溶胀与稳定性下降），或直接添加碱性电解液（引入腐蚀、回收与环境问题），均未从根本上解决纯水体系下AEMWE的性能与寿命瓶颈。

近日，来自天津大学的凌涛教授、北京航空航天大学的潘曹峰教授与新墨西哥大学的杨雨廷合作，在Nature Communications上发表题为“Local alkalinity enables high-performance pure water anion exchange membrane electrolysis”的研究文章。该研究提出了一种“局部碱化工程” 的全新策略。团队通过在阳极和阴极催化剂中引入具有优异羟基亲和性的TiO₂纳米颗粒，成功在电极/电解质界面原位构建并维持了pH ≈ 14的强碱性微环境。

该策略绕过阴离子交换膜本征离子电导率低的瓶颈，直接从反应界面入手，为电催化创造最优的局部化学环境。研究团队借助扫描电化学显微镜与pH微电极联用技术，首次实现了对电极表面微区pH分布的实时观测，证实TiO₂可在电极表面约5微米范围内形成稳定的高碱性区域。基于此策略组装的AEMWE，在纯水进料下取得了里程碑式的性能突破：电流密度高达3.0 A cm⁻² @ 2.08 V，是未修饰体系的8倍，，与贵金属基质子交换膜电解槽性能相当；同时，电解槽在1.0 A cm⁻²电流密度下稳定运行超过1400小时，衰减率仅为60 µV h⁻¹。该技术具备良好的放大潜力，经济学分析表明其制氢平准化成本（LCOH）为2.93美元/千克，较商业贵金属PEM堆降低25.4%，年规模化应用可节省约1800万美元。相比需外加KOH的传统AEM系统，该技术具备更优的经济稳定性和环境友好性，为开发高效、稳定、低成本/环境友好的纯水制氢技术开辟了一条全新的技术路径。

研究阐明了TiO₂在电化学环境下“促水解、富羟基”的双重功能。在阳极，TiO₂加速水分解（H₂O → H⁺ + OH⁻），生成的OH⁻被吸附于带正电的电极表面，H⁺则在电场驱动下离开，从而在界面累积形成高pH区。在阴极，TiO₂与NiMo合金协同：NiMo催化HER的Volmer步产生OH⁻，TiO₂则作为“羟基捕获剂”将其富集于界面，形成自增强的碱性微环境。这相当于在每个活性位点旁构筑了微型“现场制碱”单元。

TiO₂修饰使AEMWE在纯水中的性能发生跃升。在2.0 V下，电流密度从不足0.4 A cm⁻²提升至超过2.5 A cm⁻²，最高达3.0 A cm⁻²，已逼近同一膜在1.0 M KOH电解液中的表现。

局部强碱环境从根源上提升了系统耐久性。一方面，它抑制了阳极催化剂（NiFe氧化物）在酸性条件下的溶出，当界面pH达13.8时，Fe、Ni溶解几乎可忽略；另一方面，避免了阴离子交换膜功能基团的酸致化学降解。因此，电解槽的寿命从传统纯水AEMWE通常的几十到几百小时，大幅延长至1400小时以上，，且测试期间高pH微区保持稳定，为长效运行奠定基础。

该策略具有良好普适性，在三种结构迥异的商用阴离子交换膜（Sustainion、AEMION™、FAA）上均能成功构建局部碱性并显著提升性能。团队进一步研制了电堆（总面积250 cm²），其在纯水进料下稳定运行，能量转换效率达74.5%，接近美国能源部2050年目标（75%）。技术经济分析显示，该技术较商业贵金属PEM堆降低25.4%，年规模化应用可节省约1800万美元。相比需外加KOH的传统AEM系统，该技术具备更优的经济稳定性和环境友好性，兼具技术先进性与经济竞争力，为规模化绿氢生产提供了可行路径。

Local alkalinity enables high-performance pure water anion exchange membrane electrolysis”

凌涛教授简介：天津大学材料学院教授。2009年于清华大学材料科学与工程系获得博士学位，2009年10月起就职于天津大学，2017年入选国家自然科学基金优秀青年基金，2019年入选天津市自然科学基金杰出青年基金。从事催化新材料原子结构调控以及在洁净能源高效转换和利用的研究，揭示材料结构和反应微环境与催化性能之间关联，突破催化材料活性和稳定性限制。以第一/通讯作者在Nature Energy（2篇）、Nature Communications (4篇)、Science Advances、Advanced Materials (7篇)、Angewandte Chemie（3篇）、Nano Letters等期刊发表论文50余篇。研究工作被Science、Nat. Energy、Nat. Chem. Eng.选为研究亮点，被中央电视台《科学家讲科学》栏目介绍。

潘曹峰教授简介：北京航空航天大学蓝天杰出教授，博士生导师，国家级人才。2005、2010年分别于清华大学材料科学与工程学院获学士、博士学位， 2012年获全国优秀博士学位论文奖。其后于美国佐治亚理工学院材料科学与工程学院进行博士后研究。2013-2023年任中国科学院大学/北京纳米能源与系统研究所研究员。主要从事低维半导体传感材料与器件应用研究。在Nat. Photon.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Chem. Rev.、Adv. Energy Mater.等期刊上发表SCI论文350余篇，引用34000余次，H因子103，20余成果入选“中国百篇最具影响力国际学术论文”和“ESI高被引论文”。入选北京市海聚计划（2015）等；获得国家杰出青年科学基金（2021）、国家优秀青年科学基金（2016）、科睿唯安全球高被引学者等荣誉。

杨雨廷教授简介：美国新墨西哥大学经济学院助理教授，博士毕业于法国图卢兹经济学院，主要从事环境和能源经济研究。

郭佳欣：博士毕业于天津大学，现任北航国际前沿与交叉科学研究院助理教授、卓越师资博士后，以第一/共一作者身份在Nature Energy(2篇)、Nature Communication等期刊发表论文。

王如广：博士毕业于天津大学，现为香港理工大学博士后，以第一/共一作者身份在Nature Energy、Nature Communication、Angewandte Chemie、Advanced Science等期刊发表论文。