近日，南方科技大学材料科学与工程系李辉讲席教授、前沿与交叉科学研究院樊建涛研究副教授团队在纯水阴离子交换膜电解水（AEMWE）的离聚物稳定性研究方面取得研究进展，相关成果以“Oxidative stability as a guiding principle for durable ionomer cations in pure-water electrolysis”为题，发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

纯水 AEMWE 具有系统简单、腐蚀性低、潜在成本低等优势，是绿色制氢的重要技术方向。其中，阴离子交换离聚物是该器件中的关键材料，负责在催化层内传导OH⁻并维持反应界面的形貌稳定。长期以来，这类离聚物的设计主要围绕其阳离子官能团的“耐碱稳定性”展开，并形成了一系列成熟商业结构，已广泛用于碱性燃料电池和碱液供给电解水体系。然而，纯水 AEMWE 的阳极环境与强碱体系不同，其局部 pH 更接近中性，同时需要更高阳极电位来驱动反应，使传统耐碱阳离子结构在纯水电解环境中的适用性面临挑战。

图1 离聚物阳离子官能团氧化诱导纯水 AEMWE 性能衰减机制示意图

针对这一问题，研究团队构建了具有不同阳离子官能团的阴离子交换离聚物体系，系统比较了其耐碱稳定性、抗氧化稳定性和纯水 AEMWE 器件耐久性。研究发现，传统耐碱性较好的阳离子结构并不一定适用于纯水电解环境。相比之下，具有更高氧化稳定性的阳离子官能团能更好保持离聚物结构完整性和离子传导能力，从而提升器件运行稳定性（图1）。基于氧化稳定性更高的离聚物设计，研究团队实现了电解槽在 80 ℃、1 A cm⁻² 条件下超过 360 小时的稳定运行，其寿命是基于碱稳定性结构的两倍。

为进一步阐明阳离子官能团氧化降解机制，研究团队开展了代表性季铵模型化合物的电化学氧化测试。结果显示，在接近纯水 AEMWE 阳极的高电位氧化环境中，季铵阳离子可发生脱甲基化等降解反应，部分耐碱性较优的环状季铵结构在氧化条件下反而稳定性降低。

研究团队进一步结合阻抗弛豫时间分布分析、电极形貌分析及离聚物结构表征，提出了“阳离子官能团氧化—离聚物结构退化—催化层界面失效—器件性能衰减”的失效链，明确了电化学氧化稳定性是纯水 AEMWE 阳极离聚物设计中长期被低估但至关重要的评价指标。该研究不仅为理解纯水电解水器件耐久性瓶颈提供了分子层面的机制依据，也为开发高稳定性阴离子交换离聚物和高性能纯水电解制氢系统提供了设计视角。

南方科技大学与哈尔滨工业大学联合培养博士生金依琦为论文第一作者。李辉、樊建涛为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金及高水平专项基金、广东省电力能源材料重点实验室、南科大碳中和能源研究院、深圳市氢能重点实验室及南方科技大学分析测试中心的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-73209-7

供稿：材料科学与工程系

通讯员：邓雅丽

编辑：曾昱雯