超疏气水凝胶隔膜修饰抑制碱性水电解槽气体串扰

《Journal of Materials Chemistry A》：Superaerophobic hydrogels for diaphragm modification to suppress gas crossover in alkaline water electrolyzers

　　

在低溫电解技术中，碱性水电解（Alkaline Water Electrolysis, AWE）因其耐久性及低成本材料依赖而被认为是最成熟的技术路线。然而，多孔隔膜中的气体串扰（gas crossover）会导致氧气流中氢气积聚，存在爆炸风险，因此抑制气体串扰对于安全、可规模化部署AWE系统至关重要。研究人员提出一种利用超疏气聚乙醇（Polyvinyl Alcohol, PVA）水凝胶涂层调控隔膜浸润性的策略，以降低气体串扰。气体跨膜传输通过两种互补方式量化：（i）H型电解池中氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction, ORR）电流法评估渗透氧；（ii）AWE运行期间的溶解氧直接测量。此外，阳极气相的气体色谱分析直接验证了氢串扰的抑制效果。这些测量一致表明，水凝胶的超疏气特性显著降低了串扰速率。原位可视化显示，涂层表面气泡快速脱离，防止压力累积及体相气体渗透。总体而言，该研究提出了一种简便、节能的隔膜修饰策略，解决了AWE的关键安全问题，在不牺牲电化学性能的前提下优化气体管理，为工业制氢提供了更安全可靠的路径。

研究背景方面，绿色氢能由可再生电力驱动的水电解制备，是实现可持续社会转型的重要支撑。氢能兼具清洁燃料与化工原料属性，但目前仍主要依赖化石能源生产，伴随大量二氧化碳排放。碱性水电解（AWE）采用厚的多孔隔膜，因结构简单、材料成本低已被商业化，但能量效率较低、产氢速率受限。下一代电解槽（质子交换膜PEM、阴离子交换膜AEM、双极膜BPM）虽可缓解部分问题，但受限于贵金属催化剂成本、膜化学稳定性不足及纯水运行下的性能衰减。AWE虽耐久性优异，却存在隔膜孔隙气体串扰的安全隐患，尤其在低电流密度下更为严重，可能导致氧气流中氢气浓度超过爆炸阈值（4 vol%），工业安全控制一般将氢氧比（Hydrogen-to-Oxygen Ratio, HTO）限制在约2 vol%以下。传统AWE研究多聚焦于降低动力学过电位的催化剂开发，忽视了隔膜气体串扰问题，且现有隔膜改性方法常依赖昂贵或危险材料，工艺复杂耗时。

研究人员开发了一种在Zirfon隔膜表面涂覆超疏气PVA水凝胶的简单策略，以抑制AWE中的气体串扰。该化学交联水凝胶形成坚固、多孔且亲水的网络，在强碱高温条件下有效排斥气泡并降低溶解气渗透。优化负载量的涂层显著减少气体串扰，表现为H型池ORR电流下降、电解过程中溶解氧浓度明显降低，以及气相色谱测得的HTO值在10 mA cm^?2和1000 mA cm^?2下分别为0.69%和0.22%，均低于工业安全阈值（～2 vol%）。研究证明界面浸润性工程是隔膜设计的关键原则，并为提高碱性水电解安全性与效率提供了实用且耐用的途径。

关键技术方法包括：采用刮刀涂布与相转化法制备Zirfon基隔膜，并通过浸渍PVA溶液与戊二醛交联形成超疏气水凝胶涂层；利用扫描电子显微镜（SEM）、共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）表征形貌与化学稳定性；通过空气接触角与气泡粘附力测试评估超疏气性能；结合H型池ORR电流法、溶解氧传感器及气相色谱（GC）定量分析气体串扰；在零间隙AWE系统中进行极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）及恒电流稳定性测试；利用高速摄像原位观察气泡行为。

结果与讨论部分，首先在3.1节中，研究人员制备并表征了PVA水凝胶修饰隔膜，发现4 wt/v%浓度下可获得均匀多孔结构，且在30 wt% KOH中保持化学稳定，OH^?导电性无显著下降。3.2节表明，该浓度样品表现出最高超疏气性（空气接触角>150°），气泡粘附力较原始隔膜降低约11倍，气泡点压力（BPP）升高，促进气泡快速脱离。3.3节的气体串扰测试显示，H型池ORR电流显著下降，AWE运行后阴极溶解氧浓度降低、阳极溶解氧浓度升高，证明涂层有效抑制氧气渗透。3.4节的电化学性能评估显示，4 wt/v%样品极化曲线与原始隔膜相当甚至略优，EIS表明传质过电位降低54.4 mV，并在400 mA cm^?2稳定运行50小时；GC分析证实HTO值在安全范围内，且在高、低电流密度下分别实现67.2%和46.4%的串扰抑制率。3.5节的原位气泡观测进一步验证，涂层表面气泡快速脱离或无附着，减少积累与渗透。3.6节对比既往研究，指出该方法工艺简单、可扩展，并采用多种直接气体串扰量化手段，弥补了以往仅依赖间接指标的不足。

讨论部分强调，超疏气水凝胶涂层通过促进气泡快速释放，降低气体串扰及相关传质损失，同时验证了其在商业隔膜及AEM中的适用性。结论部分总结，该涂层不仅提升了AWE运行安全性，还在不牺牲电化学性能前提下改善气体管理，为碱性水电解的界面浸润性工程提供了可规模化应用的解决方案。