【东大新闻网7月23日电】（通讯员 胡川）近日，东南大学能源与环境学院胡川副研究员、汪勇教授团队在高性能阴离子交换膜及碱性电解水制氢研究中取得新进展。相关成果以“在阴离子交换膜中构建四臂节点，实现高电流密度长效水电解（Building Four-Armed Nodes in Anion Exchange Membranes for Durable Water Electrolysis With High Current Density）”为题，发表于能源材料领域国际期刊《先进能源材料》（《Advanced Energy Materials》）。
阴离子交换膜电解水（AEMWE）制氢兼具碱性电解水（AWE）低成本和质子交换膜电解水（PEMWE）高电流密度的优势，可使用非贵金属催化剂，被认为是实现低成本绿氢制备的重要技术路线。然而，阴离子交换膜（AEM）的离子电导率、尺寸稳定性和耐碱稳定性通常相互制约。提高膜材料的离子交换容量有利于提升氢氧根离子传输能力，但也容易引起过度吸水和膜体积膨胀，进而影响电解槽的运行稳定性与使用寿命。
针对这一难题，研究团队将不含β-氢的四溴新戊烷引入无醚聚芳基哌啶聚合物，构建了具有四臂节点的四面体交联结构。该结构通过限制聚合物链段的过度运动，有效抑制膜材料吸水膨胀；同时促进阳离子基团聚集，形成连续、低曲折度的亲水离子传输通道。由于交联节点不含易受碱进攻的β-氢，还可避免传统柔性烷基交联剂可能引入的额外降解位点。
图1.四溴新戊烷交联聚芳基哌啶n-QPTM-x示意图
原子力显微镜、透射电子显微镜、小角X射线散射及分子动力学模拟结果表明，适度引入四臂交联节点能够促进亲水相聚集，提高离子通道的连续性，降低氢氧根离子的迁移能垒。优化后的n-QPTM-5膜在80℃下的氢氧根离子电导率达到200.0 mS cm−1，而溶胀率仅为15.9%，实现了高离子电导率与良好尺寸稳定性的协同提升。
图2. n-QPTM-x的AFM, TEM以及MD模拟结果
该膜还表现出优异的耐碱稳定性。在80℃、1M KOH溶液中处理3000小时后，n-QPTM-5仍保留92.3%以上的阳离子基团，并保持较高的机械强度。研究团队进一步分析了膜材料的碱性降解路径，发现四臂交联结构能够有效抑制亲核取代和消除反应，提高膜材料在强碱环境中的结构稳定性。
在阴离子交换膜电解水装置中，采用IrO₂阳极催化剂时，n-QPTM-5膜在80 ℃、2.0V下实现了11.9 Acm−2的电流密度；采用低成本NiFe非贵金属阳极后，电流密度仍达到9.5Acm−2。在长期运行测试中，使用NiFe阳极的电解槽在1A cm−2下稳定运行超过2400小时，电压衰减速率仅为17μVh−1；在2Acm−2下持续运行1000小时，电压衰减速率为33μVh−1，展现出优异的高电流密度运行能力和长期稳定性。
图3. n-QPTM-x的电解水性能与原位寿命结果
该研究通过四臂交联节点同时调控聚合物链运动、离子通道结构和碱性降解行为，为解决阴离子交换膜电导率、尺寸稳定性与耐久性之间的矛盾提供了新的分子设计思路，也为高性能阴离子交换膜的规模化制备及低成本绿氢技术发展提供了材料基础。
东南大学能源与环境学院为论文第一完成单位，梁丽萍为论文第一作者，胡川副研究员和汪勇教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、辽宁滨海实验室项目及郅氢（上海）科技有限公司委托项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.71290
供稿：能源与环境学院
（责任编辑：吴涵玉 审核：李小男）
