离子交换膜在环境可持续性中扮演着关键角色，其应用范围从分离到能量存储与转换。然而，基于聚合物的膜通常存在选择性与电导率之间的权衡，这阻碍了许多基于膜的设备的发展。

2026年2月26日，斯坦福大学崔屹在国际知名期刊Nature Chemical Engineering发表题为《A hydrogen-molecule-mediated proton-exchange membrane with near-complete permselectivity》的研究论文，Jinwei Xu、Ge Zhang、Siyuan Fang为论文共同第一作者，崔屹为论文通讯作者。

在此，作者通过使氢分子和电子分别通过气室和固体金属传输，而非依赖质子传导，克服了质子交换膜（PEM）中的这一权衡。质子、电子和氢分子之间的简便转换通过在三相界面上发生的析氢和氢氧化反应实现。这种作者称之为氢分子介导的质子交换膜的设计，通过消除两种电解质之间的直接离子通道，实现了近100%的质子选择性。得益于氢气的快速扩散、金属的高电导率以及析氢和氢氧化反应的快速动力学，氢分子介导的质子交换膜在pH 0和pH 14下分别表现出0.15 Ω cm²和1.05 Ω cm²的极低面积比电阻，与商业膜相当。最后，作者展示了其在pH解耦的Zn-MnO₂可充电电池中的应用，该电池稳定运行200个循环，并应用于一个电化学堆栈，以高效地从海水中生成酸和碱。

水基电解质的固有安全性、低潜在环境足迹，加上可获得的多样化且低成本的电池化学体系，使得水系可充电电池成为电网级储能的有前景的候选者。水系液流电池尤其引人关注，但许多此类电池因阳极电解液和阴极电解液之间电活性物质的交叉渗透而导致容量衰减。解决这一交叉渗透问题的一个方案是开发一种具有近乎完全选择渗透性的质子交换膜（PEM）。这种膜同样有益于依赖沉积/溶解过程的水系可充电电池，例如Zn-MnO₂电池，其中两个电极反应需要不同的最佳pH值。通过实现对两种pH值差异巨大的电解质的分离，高质子选择性的PEM可以缓解这种不匹配，从而可能改善反应动力学并将水系电池的电压窗口扩大到2 V以上。

上述讨论强调了理想的PEM如何通过允许氧化还原电对的无限制配对，从而实现广泛的新型电池化学体系。然而，目前的膜材料尚无法实现100%的质子选择渗透性。Nafion通常被称为PEM，但其选择渗透性仅限于优先通过单价阳离子而非更大的阳离子和阴离子，部分原因是其在水性环境中的溶胀行为。同样地，其他离聚物膜也未能实现完全的选择渗透性。因此，使用Nafion-117作为隔膜的Zn-MnO₂电池由于质子扩散，在40个循环内会迅速衰减。尽管固态电解质是实现高选择渗透性的一种有前景的替代方案，但这些材料在室温下离子电导率低、成本高，并且存在因晶界和缺陷处吸附水而导致的泄漏问题。

在此，作者开发了一种PEM，通过利用氢分子和电子的耦合传输来转移质子（图1a），从而实现近乎完全的选择渗透性，作者将此设计称为氢介导的PEM（H₂-PEM）。在连接两种电解质的H₂-PEM中，氢分子通过一个气室扩散，而电子则通过一块固体金属迁移，两种液体电解质之间没有真正的离子通道相连。因此，实际上只有质子可以在两种电解质之间转移。析氢反应（HER；方程式(1)）和氢氧化反应（HOR；方程式(1)的逆反应）发生在三相界面，分别实现了质子和电子到氢分子以及氢分子到质子和电子的转换。得益于氢分子在气体中的快速扩散、金属的高电子电导率以及催化剂上快速的HER/HOR动力学，一个精心设计的H₂-PEM可以同时实现近乎完全的选择渗透性和低电阻。事实上，作者的H₂-PEM在pH 0和pH 14下分别展现出0.15 Ω cm²和1.05 Ω cm²的面积比电阻。最后，作者展示了其在pH解耦的Zn-MnO₂可充电电池中的应用，以及在一个电化学堆栈中用于高效地从海水中生成酸和碱。

图1: H₂-PEM的设计。a，H₂-PEM的概念工作机制，其中氢分子和电子的耦合传输实现了质子转移。b，实现H₂-PEM的实验装置示意图。

图2: H₂-PEM的电阻测试。a，测试H₂-PEM电阻的实验装置示意图。b，氢气渗透到气室期间，电极2和3之间的电压降（ΔE）和电流密度（i）。c，在酸性电解质（pH 0）中，有和没有H₂-PEM，以及氢气渗透前（空气-PEM）和渗透后测试装置的I–V曲线。d，在100 mA cm⁻²电流下，酸性电解质中测试装置在使用和不使用H₂-PEM时的电压降。e，在酸性电解质中，H₂-PEM的测量面积比电阻（R）与预测值的对比。条形图的高度和误差棒分别代表源自d中数据的九次独立测量的平均值和标准误。f，在碱性电解质（pH 14）中测试装置的I–V曲线。g，在100 mA cm⁻²电流下，碱性电解质中测试装置的电压降。h，在碱性电解质中，H₂-PEM的测量面积比电阻（R）与预测值的对比。条形图的高度和误差棒分别代表源自g中数据的九次独立测量的平均值和标准误。

图3: H₂-PEM的选择性测试。左图：选择性测试三种情景的电解质组成。右图：施加100 mA cm⁻²电流前后关键离子的浓度，对应左侧的三种情景。测量的pH值与理论值有偏差，因为pH计在强酸和强碱中不准确。

图4: 使用H₂-PEM的pH解耦的Zn-MnO₂电池。a，pH解耦的Zn-MnO₂可充电电池的示意图。数字1、2和3代表三个电极。b，在10 mA cm⁻²的恒定充放电电流（i）下，pH解耦的Zn-MnO₂电池在不同循环次数下的代表性电压曲线。c，在10 mA cm⁻²下，pH解耦的Zn-MnO₂电池在200次循环中的库仑效率和能量效率。

在这项工作中，作者报告了一种PEM架构的设计和构建，该架构集成了氢和电子传输路径以实现等效的质子转移。作者的H₂-PEM采用气态氢分子传输代替质子传导，从而消除了离子交叉渗透。因此，该设计展示了近100%的选择渗透性，能够在酸性和碱性条件下稳定分离pH值差异巨大的电解质。在100 mA cm⁻²下，作者的H₂-PEM在pH 0时显示出0.15 ± 0.03 Ω cm²的面积电阻，在pH 14时为1.05 ± 0.05 Ω cm²。

这项工作的主要目标是证明通过一种非传统的膜设计实现近100%质子选择性的可能性，因此性能优化并非重点。为了在储能、电合成及其他领域实现更广泛的应用，降低膜电阻至关重要，以便在最小化欧姆损失的情况下实现更高的电流密度（>100 mA cm⁻²）。当前设计的复杂性是另一个问题，需要为规模化和大规模生产进行简化。作为关键组件的气体扩散电极（GDE）需要改进：应优化催化剂以提高其活性和稳定性，尤其是在碱性介质中；而气体扩散层需要能够在不形成气泡的情况下承受更高的电流密度。

与商业膜相比，作者的H₂-PEM在酸性电解质中已经达到了与Nafion PEM相当的面积电阻，但在碱性环境中的电阻是一些商业阴离子交换膜（如Fumasep FAS-30）的两倍。目前，在酸性环境中降低H₂-PEM电阻的限制因素是钛箔的电子电阻，而在碱性环境中，限制因素是铂在髙pH值下对HER/HOR的催化活性低得多。为了提高H₂-PEM的电导率并降低成本，开发在宽pH范围内具有高HER/HOR活性的非贵金属基电催化剂至关重要。

另一个需要改进的重要方面是膜的紧凑性，这对它在高能量密度电池中的可扩展性和适用性有很大影响。目前，作者的H₂-PEM装置具有较宽的气室（约2.4毫米）并使用较厚的气体扩散电极（GDEs）（每个约0.4毫米）。此外，随着电极尺寸的增加，GDEs的面内电子电阻可能成为一个限制因素。理想情况下，应移除气室，并且两个GDEs应形成紧密界面，以最小化电子和气体扩散电阻，同时必须防止水的渗透。在实践中，一种有前景的解决方案是三明治结构的PEM设计，即在两个GDEs之间插入一个多孔、疏水且导电的薄膜，并将整个组件压缩成一个单一的集成单元。这种配置通过中心导电层实现了连续的电子和气体传输路径，从而减轻了面内电阻的限制并减小了电池的总厚度。如果膜在电池中受到外部压力或弯曲，还需要防止气室坍塌。

总而言之，作者的H₂-PEM在保持高离子电导率的同时，几乎完全抑制了离子交叉渗透，使得一个pH解耦的单膜水系Zn-MnO₂可充电电池能够稳定运行200个循环，并使一个电化学堆栈能够从海水中高效生成酸和碱。在未来的工作中，H₂-PEM可以通过防止活性物质的交叉渗透，在氧化还原液流电池中找到更多应用；在微生物电合成中替代传统PEM以更好地分离阴极产物，以及许多其他应用。

Xu, J., Zhang, G., Fang, S.et al.A hydrogen-molecule-mediated proton-exchange membrane with near-complete permselectivity.Nat Chem Eng(2026). https://doi.org/10.1038/s44286-026-00362-7

文章来源：今日锂电

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