纳米级裂缝的填充以使氢气更清洁且成本更低

在哥伦比亚工程学院，化学工程师丹·埃斯波西托及其团队正在开发一种替代Nafion的方案。他们的工作得到了美国能源部的支持，并与工业合作伙伴 Nel Hydrogen 和 Forge Nano合作，旨在用超薄、不含全氟烷基物质的氧化物膜取代传统电解槽中使用的Nafion膜。替换这一组件可以消除电解槽内高达99%的全氟烷基物质含量。

图片来源：Esposito Lab

氢气已经是重要的能源来源，价值2500亿美元的行业支持着化肥生产、钢铁制造、石油精炼以及其他数十种关键领域。 尽管当今几乎所有的氢气都是通过碳密集型方法生产的，研究人员正在竞相开发成本更低且碳足迹更小的氢气生产方法。

其中最有前景的方法之一是水电解，该过程利用电能驱动一个称为电解器的反应器将水（H2O）分子分解成氢气（H2）和氧气（O2）。

电解槽依赖于一种薄膜，该薄膜阻挡O2和H2分子的同时允许带正电的氢原子——称为质子——通过。目前，行业标准的膜材料是Nafion，这是一种全氟烷基和多氟烷基物质（PFAS）。

这些有毒化学物质因其能够在环境中持续存在数十年的能力而被称为“永久性化学品”。如果不正确地制造和处置，这些PFAS材料可能会造成重大的环境危害。

哥伦比亚工程学院的化学工程师Dan Esposito及其团队正在开发Nafion的一种替代品。他们的工作得到了美国能源部的支持，并与工业合作伙伴Nel Hydrogen和Forge Nano合作，旨在用超薄、不含PFAS的氧化物膜取代传统电解槽中使用的Nafion膜。

“膜是电解器的心脏，它使质子能够通过传输同时将氢和氧隔离开来，”科勒比工程学院副教授埃斯波西托说，“如果膜失效，系统就不会工作，甚至可能会变得危险。”在今天发表于ACS Nano的一篇新论文中，埃斯波西托的实验室描述了一种制造这些极其薄的膜的方法，并解决了在水电解器中安全实施它们的一个主要障碍。

电解器内的膜负责效率和安全性。 “氧气和氢气必须分开存放——否则就会形成爆炸性混合物，”埃斯波西托说，“膜非常重要，因为它可以物理上将氧气和氢气隔开，同时允许质子通过。”为了创造一种更优的替代品，埃斯波西托和他的团队转向了全氟烷氧基化合物（PFAS）-二氧化硅。前几代研究人员认为这种特性是一个缺点，但纳米级制造技术的进步指出了一个新的解决方案：利用该物质来制作一个更薄的膜。

这些氧化物材料在这种应用中稍微有些反直觉，部分原因是它们的导电性比Nafion低几个数量级，“埃斯波西托说。”但电阻不仅取决于导电性，还取决于厚度。“通常，Nafion膜的厚度约为180微米，大约是人类头发厚度的两到三倍。

通过合作者Forge Nano精炼的原子层沉积这一精确制造技术，研究人员制作了厚度不到一微米的致密氧化物膜。 那大约是人类头发厚度的百分之一——甚至比Nafion还要薄数百倍。尽管二氧化硅的导电性较差，但厚度的大幅减少使其整体电阻与最佳商用选项相当。

薄膜带来新的挑战：缺陷。微小的针孔或裂纹可以让氢气泄漏到氧气一侧。“只需每平方厘米有几个针孔就会使整个系统变得不安全。”埃斯波西托说。

为了解决这个问题，团队开发了一种巧妙的电化学方法来选择性地密封缺陷。通过施加脉冲电压，它们触发了化学反应，在孔洞和裂缝内部沉积了纳米级的“塞子”，同时保持了膜的薄度和低电阻。

“我们发现必须施加能量脉冲而不是连续电流，”Esposito说，“如果以连续过程进行，则会改变整个区域的pH值，并在膜的前面无处不在地沉积填充材料。”结果非常显著。在实验室测试中，密封后的膜表现出的氢渗透率比Nafion低100倍，尽管其厚度仅为Nafion的百分之一。

这项工作仍处于早期阶段，但团队的工业合作伙伴Nel Hydrogen和Forge Nano已经开始帮助扩大这种方法的应用规模。研究人员现在正从厘米级测试转向适用于商业应用的大规模原型。

当前的重点是氢气生产，Esposito看到了更广泛的应用潜力。同样的缺陷填补策略可能对燃料电池、流动电池，甚至水处理和半导体应用都有益处。不过目前，该团队兴奋于能够推动这项具有巨大潜力的技术发展，使其通过水电解的方式既经济又环保。

“目前，全球不到0.1%的氢气来自电解。”Esposito说，“如果我们希望可持续地扩大这一规模，我们需要既能高性能又能环境友好的膜。这就是我们正在努力实现的目标。”

编撰自论文“纳米塞阻断亚微米厚质子导电 SiO2 膜中的氢交叉，用于水电解”.ACS纳米.2025相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于公开图库。