The Innovation Materials | 超高稳定性离子溶剂膜：碱性水电解技术的新机遇

介绍水电解技术领域中的高性能离子溶剂膜材料，为水电解、氢燃料电池等领域开拓分离膜材料的设计制造思路。

2024年1月，Nature Energy刊登了李南文研究团队的研究成果，他们开发了一种可用于−35~120°C宽温域水电解技术的高稳定性离子溶剂膜（ISM），它具有超高的耐碱稳定性以及优异的水电解性能表现。研究揭示了高耐碱稳定性离子溶剂膜的构效关系，为开发高性能水电解技术提出了新的设计思路。

水电解制氢技术是目前被广泛接受的从太阳能、风能等间歇性可再生能源中存储过剩电能的有前途的技术。目前，由于质子交换膜（PEM）和阴离子交换膜（AEM）水电解技术具有更优异的气体阻隔能力，它们有望逐步替代传统的碱性水电解技术（AWE）（图1A）。然而，PEM水电解技术需要使用大量贵金属催化剂以及涂附贵金属涂层的钛多孔传输层，导致其成本较高。AEM水电解技术可以采用非贵金属催化剂，从而降低了生产成本，但阳离子基团在电化学环境中的不可逆降解限制了其使用寿命。而离子溶剂膜（ISM）技术采用了一种不含离子基团的结构，通过移动离子对来实现离子的输运，但是ISM技术在高温、高碱环境中容易出现稳定性问题，成为限制ISM水电解技术广泛应用的关键挑战。

中国科学院山西煤化所李南文研究员课题组提出了一种基于高稳定性羟吲哚/KOH移动离子对的聚（羟吲哚联苯）离子溶剂膜（POBP-ISM）。研究人员首先通过密度泛函理论（DFT）和模型实验优选出具有高耐碱稳定的羟吲哚阴离子，再与KOH结合形成复合离子对，提供了高效的离子传导。研究人员通过超酸催化聚合的方式实现了芳基无醚主链POBP-ISM的制备（图1B）。所制备的POBP-ISM具有优异的抗氧化稳定性和较低的吸水溶胀率，尤其在80 °C/8 M KOH条件下可以保持高达15000小时的超高耐碱稳定性（图1C）。他们采用泡沫镍电极的POBP-ISM水电解系统，实现了在宽温域（−35~120°C）窗口内的应用，即使在−35°C的低温下系统仍可以实现快速启动，弥补了AWE的不足。当进一步采用Ni/Fe催化剂时，POBP-ISM水电解系统可以实现1.9 V下的2.0 A/cm²的高性能放电。

在碱性水电解技术领域，AEM和ISM是通过传导阴离子实现离子输运的。但在它们的电化学反应中，离子基团或聚合物主链结构等降解现象的发生不可避免，制约了水电解槽的长效稳定性。由于催化剂的粘附和自由基的存在，膜降解的内在原因也变得复杂和难以预测，这个挑战不仅仅限于碱性水电解槽中，也存在于如燃料电池、二次电池等其他领域中。除了目前开展的聚苯并咪唑（PBI）类和上述报道的POBP之外，是否存在性能更优异、合成方法更简单的ISM材料仍需要进一步的深入研究。在膜材料的探索中，需要兼顾强碱稳定性、电导率、溶胀率、机械强度、表面电阻等因素，进而综合评价膜的性能。此外，提高非贵金属催化剂参与的电化学反应动力学是提高碱性水电解效率的可行策略，例如，将应用温度提高至大于120°C等措施。然而，高温环境下对于膜的尺寸稳定性、热稳定性和化学稳定性等提出了更为苛刻的要求。因此，开发适用于高温环境的离子交换膜材料仍是目前水电解技术发展的重要方向之一。

为实现更高的碱性水电解效率，开发应用温域更高（>120°C）的水电解技术是未来发展的重要方向。这种高温水电解技术对于隔膜材料、催化剂以及系统结构等提出了更高的要求。因此，结合催化剂、水电解槽等的系统适配性，进一步研究出兼具高耐碱性且耐高温的离子交换膜材料，仍是未来高效水电解技术发展面临的重要挑战。

责任编辑

李顺波    重庆大学

李环宇    上海交通大学

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