高温稳定聚苯撑基多嵌段共聚物阴离子交换膜的开发及其在电化学能源器件中的应用

为解决阴离子交换膜(AEM)在高温条件下稳定性不足的问题，研究人员开发了一种基于季铵化多嵌段聚(苯撑-co-芳基醚)(QPPs)的新型AEM。该膜通过引入二苯甲酮侧链增强相分离，在90°C/90% RH下实现0.15 S cm–1 的高电导率，并在70°C水电解中保持优异性能，为AEM燃料电池(AEMFC)和电解槽(AEMWE)的商业化提供新方案。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，阴离子交换膜(AEM)技术因其可使用非贵金属催化剂的优势，成为燃料电池和水电解领域的研究热点。然而，现有AEM面临高温稳定性差、离子电导率不足等瓶颈问题，严重制约其在工业场景中的应用。传统AEM在70-90°C高温环境下易发生化学降解，且随机共聚物结构难以平衡电导率与机械性能。

针对这些挑战，研究人员开发了一种革命性的聚苯撑基多嵌段共聚物膜(QPPs)。该研究通过分子设计创新，在亲水性苯撑段引入二苯甲酮侧链，不仅解决了刚性聚苯撑聚合物的溶解性问题，还显著增强了微相分离。所得膜材料在90%相对湿度(RH)下实现0.15 S cm^–1
的离子电导率，远超商用FAA-3-50膜(0.045 S cm^–1
)。更引人注目的是，在70°C/50% RH苛刻条件下持续30小时后仍保留67%电导率，水电解测试中90°C高温下性能衰减极低，创下AEM耐热性的新纪录。这项突破性成果发表于《Journal of Membrane Science》，为下一代电化学能源器件提供了关键材料解决方案。

研究团队采用多项关键技术：通过镍催化交叉偶联聚合合成多嵌段共聚物；利用动态机械分析(DMA)测定玻璃化转变温度；采用小角X射线散射(SAXS)和透射电镜(TEM)表征微观相分离；通过膜电极组装(MEA)评估燃料电池和水电解槽性能；采用Dekel方案精确测量氢氧根电导率以排除碳酸盐干扰。

【合成与表征】
研究通过两步法合成含二苯甲酮基丙基间隔基的亲水段单体3,5-DCAmPPM，再与含氟疏水段寡聚物-6F进行嵌段共聚。分子量测试显示多嵌段共聚物B-AA-1.8重均分子量达337 kDa，显著高于随机共聚物(148 kDa)。¹
H NMR证实季铵化效率，DMA显示引入烷基侧链使玻璃化转变温度降至235°C，兼顾热稳定性和加工性。

【形态学分析】
SAXS和TEM揭示多嵌段膜具有显著相分离，B-QAA-1.8出现12.4 nm和7.76 nm双峰间距，对应长程有序离子通道。相比之下，随机膜R-QAA-1.5无明确散射峰，证实嵌段结构对纳米级相分离的关键作用。

【水吸收与电导率】
B-QAA-1.8在30°C去离子水中吸水率67±5%，低于随机膜但电导率高出3倍，证明其能更高效利用水分子构建离子通道。特别在低湿度(50% RH)下，多嵌段膜电导率衰减幅度最小，凸显其实际应用优势。

【碱稳定性】
70°C/50% RH加速老化30小时后，B-QAA-1.8保留67%电导率，而商用FAA-3-50仅剩8%。¹
H NMR显示随机膜疏水段芳基醚键明显断裂，而嵌段膜因相分离保护仅季铵基团部分降解。

【器件性能】
燃料电池测试中，B-QAA-1.8膜电池高频电阻(HFR)低至0.14 Ω cm²
。水电解槽在90°C连续运行96小时电压稳定，而对照膜FAA-3-50在60°C即失效。阻抗谱显示其电荷转移电阻(CTR)增幅显著低于商用膜。

这项研究通过巧妙的分子设计，将刚性聚苯撑主链的化学稳定性与多嵌段相分离的结构优势相结合，创造了目前报道中综合性能最优异的AEM材料。其突破性体现在三方面：首次实现90°C长期稳定运行的AEM水电解；通过烷基侧链修饰解决聚苯撑加工难题；证实嵌段结构可同时提升电导率与化学稳定性。该成果不仅为高温AEMFC和AEMWE提供了可靠材料，其分子设计策略更为其他功能膜材料开发提供了新思路。未来通过优化界面兼容性，这类材料有望推动阴离子交换膜技术的大规模工业应用。