原文链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.09.003

1. 文章导读

电化学氢压缩机（EHC）凭借模块化设计、高效率、无运动部件等优势，被认为是氢能压缩与储存的理想方案，在氢能大规模部署中具有重要前景。然而，在EHC运行过程中，质子由阳极向阴极迁移时会携带大量水分子，导致阳极侧膜出现"电渗脱水"现象，使膜电极（MEA）欧姆电阻增大、质子传输受阻，严重制约了EHC的工业化应用。

催化剂层（CL）中的离聚物可同时调控水管理、反应物传输和催化界面，是改善上述问题的关键。虽然已有大量研究聚焦于燃料电池和电解水体系中离聚物当量质量（EW）与侧链结构的影响，但EHC阳极独特的电极环境与传输机制决定了这些结论无法直接迁移。因此，阐明离聚物EW与侧链结构如何协同调控催化剂层微结构、Pt/离聚物界面行为、水/质子传输与压缩性能，对于EHC阳极离聚物设计具有重要指导意义。

中国石油大学（华东）吴明铂/王旻教授课题组联合青岛海尔智慧技术研发有限公司邹杰鑫博士，对比研究了Nafion（长侧链、高EW）、3M D725与Aquivion（短侧链）三种全氟磺酸（PFSA）离聚物对阳极催化剂层的影响，文章发表在 Green Chemical Engineering（GreenChE），题为 "Elucidating the role of short-side-chain ionomers in enhancing proton transport and water management for electrochemical hydrogen compressors"。

2. 研究亮点

● 通过DFT计算从分子层面揭示了离聚物-Pt界面作用机理：短侧链Aquivion对Pt结合更弱、对磺酸基位点水吸附更强。

● 证实了低EW离聚物具有更显著的微相分离结构，可形成连续的质子传导亲水通道。

● 短侧链Aquivion基MEA在50%相对湿度下压缩至0.75 MPa仅需32 s，耗时约为Nafion基MEA的一半，显著缓解了阳极膜干燥。

3. 内容概述

研究工作选取Nafion^®D2020（长侧链、高EW）、3M D725和Aquivion^®D790（短侧链）三种PFSA离聚物，结合密度泛函理论（DFT）计算与实验表征，系统研究了其EW与侧链结构对催化剂流变特性、组分分布、表面润湿性及EHC性能的影响。

DFT计算表明（图1），三种离聚物在Pt (111)表面的结合能依次为Nafion（-10.59 eV）、3M（-9.26 eV）、Aquivion（-8.24 eV），即短侧链Aquivion与Pt作用最弱，有利于减少离聚物对Pt活性位的过度覆盖、保留更多三相界面；其对磺酸基位点的水吸附能（0.91 eV）也高于Nafion（0.77 eV），展现出更强的本征亲水倾向；同时Aquivion/Pt界面的H₂解离能垒最低（0.01 eV），意味着更快的氢氧化反应动力学。

图1. 三个离聚物的DFT计算结果（a）Pt（111）上的结合能，（b）磺酸基团上的水吸附能和（c）H₂离子体界面上的解离能垒。

GISAXS表征显示（图2），Aquivion膜呈现出最强、最锐的"离聚物峰"，说明其亲水/疏水相分离程度最高、离子畴结构最为规整连续，有利于构建连续的水合质子传输通道；而Nafion峰形较宽，反映其离子簇尺寸分布较宽、结构有序度较低，这种差异主要源于侧链长度与EW的不同。

图2.（a）三种离聚物的结构；离子体膜的GISAXS图像：（b）Nafion，（c）3M，（d）Aquivion；（e）三种离聚物的GISAXS剖面。

在催化剂油墨与催化层结构方面（图3和图4），低EW离聚物（3M、Aquivion）油墨黏度更高、剪切变稀更明显，且Pt/C分散更均匀；AFM黏附力成像证实离聚物覆盖均匀性随EW降低而提升，Nafion基催化层存在明显的团聚与局部缺失。接触角与水蒸气吸附测试进一步表明，低EW离聚物基催化层整体吸水能力更强（EW决定磺酸基团密度），而短侧链结构通过降低空间位阻改善磺酸基的可及性—两者协同增强低湿条件下的保水能力。

图3. 催化剂油墨的透射电子显微成像（I/C = 0.9）：（a）Nafion，（b）3M，（c）Aquivion;（d）含有不同离聚物的催化油墨的剪切粘度;（e）含有不同离聚物的催化油墨尺寸分布；（f）由不同离聚物制备的CLs孔径分布。

图4. CL的AFM附着力图像：（a）Nafion，（b）3M，（c）Aquivion；（d）由三种离子聚合物制备的CL接触角；（e）由三种离子聚合物制备的CL的水蒸气吸附能力。

电化学测试结果显示（图5），Aquivion基MEA无论高湿还是低湿条件下极化性能均为最优，低湿下0.4 V电流密度达到Nafion基MEA的3.2倍。在0.3 V、50%相对湿度下，Aquivion基MEA仅需32 s即可将氢气压缩至0.75 MPa（Nafion、3M基MEA分别需要69 s和48 s），且其欧姆电阻与催化层电阻最低。这得益于Aquivion基催化层更高的ECSA、更连续的质子传导网络和更强的水保持能力，有效缓解了电渗脱水引起的性能衰减。

图5.（a）电化学氢压缩机的结构与工作原理示意图；（b）三种离聚物制备的膜电极在相对湿度为50%时的极化性能；（c）在相对湿度为50%、电压为0.3 V条件下的电化学氢压缩性能；（d）在相对湿度为50%下压缩至0.75 MPa及在相对湿度为100%下压缩至0.85 MPa所需的氢气压缩时间；（e）催化层在不同相对湿度下的电化学活性比表面积；（f）三种离聚物在不同相对湿度下的电荷传输阻抗。

4. 总结与展望

该工作通过"实验表征 + 理论计算"相结合的策略，建立了离聚物分子结构—催化剂层微结构—水/质子传输-EHC压缩性能之间的构效关系：EW主要通过磺酸基团密度调控催化层整体吸水与质子传导能力，而侧链结构则通过影响Pt结合强度与磺酸基可及性，分别优化催化界面与局部水合环境。低EW与短侧链结构的协同为EHC阳极催化剂层离聚物设计提供了切实可行的策略，对发展高性能、低湿耐受的电化学氢压缩技术具有重要意义。

5. 作者简介

王旻，副教授，博士生导师。拥有十余年电催化、膜电极以及氢燃料电池技术研发经验，从事燃料电池、水电解制氢、电化学氢泵膜电极的应用基础研究与工程化关键技术开发。已在Sci. Adv.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.等国际刊物发表SCI论文90余篇，其中一作/通讯文章60余篇，总引用5700余次，ESI 1%高被引论文8篇。作为第一发明人已授权中国发明专利20余项、美国专利3项。受邀在ACS、ECS、全国电化学大会等国内外学术会议作邀请报告30余次。

吴明铂，现任青岛科技大学副校长，同时担任中国石油大学（华东）化学工程学院教授、博士生导师。吴明铂长期从事重质油高附加值利用、新型碳材料研发、二氧化碳转化利用等领域的研究工作。他是国家级高层次人才，并担任山东省泰山学者特聘教授。他在国际知名期刊发表SCI论文300余篇，获授权中国、美国专利80余项，获省部级科技奖励11项。

文章信息

C. Zhao, E. Sun, J. Zou, W. Zhou, H. Liu, B. Ji, Q. Chen, M. Wang, Y. Chai, M. Wu, Elucidating the role of short-side-chain ionomers in enhancing proton transport and water management for electrochemical hydrogen compressors, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.09.003.

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子11.9，位列Q1区，最新CiteScore为18.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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