Lewis Acid‐Base Molecular Anchoring Through Oxygen Vacancies Enables Ultrastable and High‐Conductivity Membranes for Alkaline Water Electrolysis

材料科学 化学工程 氧化物 电解水 电化学 析氧 电解 离子电导率 离子液体 锚固 氧气 分解水 表面工程 立方氧化锆 电导率 制氢 碱性水电解 纳米技术 聚合物 纳米颗粒 无机化学 电流密度 聚合物电解质膜电解 耐久性 电催化剂 环境压力 催化作用 电极 陶瓷 氢燃料 离子键合
作者
Xinhao Li,Jiangping Song,Tian Tian,Shengqiu Zhao,Rui Chen,Sixiu Zeng,Zhijie Wei,Haolin Tang
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202506172
摘要

ABSTRACT The performance of alkaline water electrolysis for green hydrogen production is critically dependent on membrane, which is often constrained by a trade‐off between ionic conductivity and gas impermeability. Here, this challenge is overcome through a universal defect engineering strategy centered on metal oxide nanoparticles. By creating a high density of oxygen vacancies in zirconia (ZrO 2 ), we transform the nanoparticles into potent Lewis acid sites. This dual functionality engineers the polymer‐filler interface to create continuous, low‐resistance pathways for rapid OH − transport, while simultaneously establishing strong Lewis acid‐base “molecular anchoring” to the polymer matrix and support mesh. This robust interfacial cohesion yields a thin composite membrane (≈190 µm) with an ultralow area resistance (0.08 Ω cm 2 ) and a remarkable bubble point pressure (5.6 bar). Consequently, an AWE cell achieves an relevant current density of 2 A cm −2 at only 1.82 V and demonstrates exceptional durability over 730 h. This vacancy‐mediated interfacial engineering paradigm, proven effective for TiO 2 and CeO 2 as well, offers a powerful and broadly applicable strategy for developing advanced membranes for electrochemical energy systems.
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