在氢能产业化背景下，电化学氢气压缩机（EHC）以无运动部件、结构简约、高效可靠的优势，成为替代传统机械压缩机的有力候选。然而，在低相对湿度（RH）条件下，阳极侧因质子传输伴随水分向阴极迁移而趋于干燥，导致质子传导阻滞，严重制约EHC的压缩速率和能效。尽管先前研究尝试通过提升膜电极（MEA）整体亲水性或优化水管理结构来缓解阴极泛洪与阳极干涸，但仍难以在低湿度下实现持续的高效压缩。为此，亟需从质子传输机理入手，设计“低湿度依赖”的质子通道，打破水依赖瓶颈，推动EHC在低湿环境中的广泛应用。

本研究首次将氨基功能化的中空介孔二氧化硅（HMSN-NH₂）引入EHC阳极催化层，通过–NH₂与–SO₃H之间强的酸–碱相互作用构建了连续的“质子高速公路”，有效解耦了质子传输对环境湿度的依赖。在这一质子通道机制下，Grotthuss质子跳跃显著增强，使得即使在仅50% RH条件下，EHC仍能保持卓越性能。具体说来，对于添加2.5 wt% HMSN-NH₂的膜电极，可在60 s内将氢气压缩至0.9 MPa，比商业Pt/C催化层所需时间缩短55%；在0.5 V电压下，2.5% HMSN-NH₂ 膜电极电流密度达4.23 A cm^-2，几乎为Pt/C（2.18 A cm^-2）的两倍。此外，该MEA在25–100% RH范围内压缩和极化性能几乎不变，充分证明了所构建酸–碱对质子通道的低湿度依赖特性。该论文以“Establishing Humidity-Independent Proton Pathways through Acid-Base Interactions for Enhanced Electrochemical Hydrogen Compressors”为题发表在期刊Journal of Energy Chemistry上。

本工作通过溶胶-凝胶法合成HMSN，并进一步接枝官能团。通过SEM/TEM证实HMSN-NH₂纳米球呈规整空心介孔结构，EDS面扫能谱图说明Si、O、N均匀分布；FT-IR光谱中3280/3373 cm^-1的N–H伸缩振动峰以及TGA结果共同定量确认了氨基功能化及其程度。此外，氮吸附–脱附等温线和BET分析揭示HMSN-NH₂比表面积为68.2 m² g^-1，平均孔径约4.8 nm。

图 1.（a）HMSNs-NH₂合成示意图。 HMSN-NH₂的（b）SEM图像，（c）TEM图像，以及（d）元素面扫能谱图。（e）HMSN、HMSN-COOH和HMSN-NH₂的FT-IR光谱。HSN、HMSN-COOH和HMSN-NH₂的（f）DLS数据和（g）Zeta电位。（h）HMSN-NH₂和HMSN的氮吸附-脱附等温线。（i）HMSN-NH2的N 1s峰的高分辨XPS图。（j）HMSN， HMSN-COOH 和 HMSN-NH₂的热重曲线。

相关测试说明ACL的微观结构演变及水管理性能。汞渗透测试表明，随着HMSN-NH₂从0%增加至5%，催化层的平均孔径显著增长，总孔体积近线性增长，说明HMSN-NH₂有效优化了孔道结构。SEM表面形貌图显示，添加氨基纳米球后催化层孔洞更加密集且连通。接触角测试中，纯Pt/C的ACL亲水性较差（CA=139°），而2.5% HMSN-NH₂的ACL接触角降至94°，水滴更易铺展，吸水性由0.038 mg cm^-2提升至0.064 mg cm^-2，显著增强了层内水分储备。低湿度（50% RH）下电化学阻抗谱（EIS）进一步表明，HMSN-NH₂ 的ACL电阻显著低于纯Pt/C的ACL，为质子传输提供稳定的水环境。

图 2. （a）商业 Pt/C 的催化层（CL） 和含 1%、2.5% 和 5% HMSN-NH₂ 的 CL汞侵入孔隙度测定结果。（b）0% 和 1% （c）2.5% 和 5% HMSN-NH₂ 的 CL 表面SEM 图。商业 Pt/C 的CL 和2.5% HMSN、HMSN-COOH 和 HMSN-NH₂ 的 CL 的（d）接触角和 （e）吸水率。（f）100% RH 和（g）50% RH 下获得MEA 的Nyquist图。（h）吸水率与 H₂/N₂ EIS 得出的 RCL （50% RH） 之间的相关性。（i）通过在 ACL 中保留 HMSN-NH₂增强质子转运的示意图。

相关测试说明ACL的微观结构演变及水管理性能。汞渗透测试表明，随着HMSN-NH₂从0%增加至5%，催化层的平均孔径显著增长，总孔体积近线性增长，说明HMSN-NH₂有效优化了孔道结构。SEM表面形貌图显示，添加氨基纳米球后催化层孔洞更加密集且连通。接触角测试中，纯Pt/C的ACL亲水性较差（CA=139°），而2.5% HMSN-NH₂的ACL接触角降至94°，水滴更易铺展，吸水性由0.038 mg cm^-2提升至0.064 mg cm^-2，显著增强了层内水分储备。低湿度（50% RH）下电化学阻抗谱（EIS）进一步表明，HMSN-NH₂ 的ACL电阻显著低于纯Pt/C的ACL，为质子传输提供稳定的水环境。

图 3. HMSN-NH₂ 和 Nafion/HMSN-NH₂ 的 （a）FT-IR 光谱和 （b）XPS 光谱。（c）酸碱相互作用的电荷分析。（d）Nafion 膜和 Nafion/HMSN-NH₂ 的 AFM 相图。（e）质子传递途径和机制的 DFT 研究。

作者展示了低湿度下的电化学压缩与极化性能。50% RH、0.3 V条件下，2.5% HMSN-NH₂ MEA的氢气压缩曲线明显左移，仅60 s即可达到0.9 MPa；对比分别添加HMSN与HMSN-COOH的对照组，其压缩时间分别为109 s和69 s，以及商业Pt/C的134 s，优势显而易见。极化曲线显示，在0.5 V下HMSNs-NH₂的MEA电流响应最高，且在25–100% RH范围内的欧姆电阻（RΩ）与CL电阻（RCL）变化幅度小于5%，体现了低湿度依赖通道的稳定性。循环寿命测试与ECSA分析亦表现出HMSN-NH₂的MEA优越活性与耐久性。

图 4. 在 50 % RH 下，具有商业 Pt/C的CL 或 2.5 wt% HMSN、HMSN-COOH 或 HMSN-NH₂  MEA 的（a）氢气压缩曲线和（b）极化曲线（平均值± SD，所有电化学测量至少3次）。（c）从极化曲线获得的 0.5 V 下电流密度。在阳极分别添加商业 Pt/C的CL、添加 2.5% HMSN、HMSN-COOH 或 HMSN-NH₂ 的 MEA的（d）EIS 曲线（e）RΩ和（f）电化学活性面积（ECSA）。

本工作在EHC研究领域取得了重要进展：一方面，将中空介孔结构的纳米硅球引入EHC阳极侧，利用其优良的亲水性和中空“纳米储水罐”效应，显著改善低相对湿度下ACL的水分环境，确保了持续的水分供应；另一方面，更为关键的是，基于–NH₂/–SO₃H酸–碱对构建了低湿度依赖的质子高速通道，通过强的酸碱相互作用，实现了质子在ACL内的连续、低能量传输，解耦了质子传导与环境湿度。得益于此创新架构，2.5 wt% HMSN-NH₂的MEA在50% RH、0.3 V条件下仅用60 s即可将氢气压缩至0.9 MPa，其电流密度达到4.23 A cm^-2，相较传统Pt/C催化层在相同条件下分别提升了55%和近100%。该策略不仅为低湿地区的氢能设备提供了可靠的技术路径，也为未来利用多种酸–碱对或功能化材料构筑湿度独立质子通道开辟了广阔前景。