新型水相合成策略构建壳聚糖/聚二烯丙基二甲基氯化铵复合阴离子交换膜及其燃料电池应用

研究人员针对传统阴离子交换膜(AEMs)制备过程中存在的毒性溶剂污染、成本高昂等问题，开发了一种基于壳聚糖(CS)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)的水相共混膜制备策略。该膜通过氢键交联实现低面内溶胀(4.3–10.3% @80°C)与高面外溶胀(45.0–150.1%)的协同，在80°C下获得41.2 mS cm?1的氢氧根电导率，碱性稳定性测试显示质量保留率达88.6%，燃料电池峰值功率密度达180.0 mW cm?2，为绿色低成本AEMs开发提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，燃料电池技术因其高效、清洁特性备受关注。然而，质子交换膜燃料电池(PEMFCs)依赖昂贵的全氟磺酸膜(Nafion)和铂催化剂，严重制约商业化进程。相比之下，阴离子交换膜燃料电池(AEMFCs)在碱性环境中可使用非贵金属催化剂，但现有AEMs面临制备过程污染大、成本高、化学稳定性差等瓶颈。传统方法需使用致癌性氯甲基醚、有毒有机溶剂，且膜材料的溶胀控制与离子传导性能往往相互制约——高水吸收虽促进离子传输，却会导致机械强度下降和电池水管理失衡。

针对这一系列挑战，中国的研究人员创新性地提出了一种基于天然高分子壳聚糖(CS)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)的水相共混膜制备策略。该研究通过将CS溶解于KOH/尿素水系溶剂，与PDDA溶液共混后经KCl凝胶化处理，最终脱水成膜。这种温和的制备工艺完全避免了有机溶剂的使用，且原料CS来源于虾蟹壳等生物质，成本仅为石化基材料的1/10。

研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)等技术证实了材料结构的稳定性，通过热重分析(TGA)显示膜材料在300°C以下保持热稳定。关键创新在于利用CS分子链间的氢键交联形成横向聚集结构，使膜材料在80°C下仅产生4.3–10.3%的低面内溶胀，而亲水组分带来的高面外溶胀(150.1%)则构建了快速离子传输通道。这种各向异性溶胀特性成功实现了机械强度(拉伸强度>25 MPa)与离子传导性能的协同优化。

性能测试显示，最优配比的PDDA@CS_7.0%-2膜在80°C下氢氧根电导率达41.2 mS cm^?1，远超多数文献报道的CS基AEMs。在60°C、1 M KOH溶液中浸泡500小时后，该膜仍能保持86.1%的电导率，质量损失不足12%，这归因于PDDA中五元环阳离子对霍夫曼降解的抵抗作用。燃料电池测试中，该膜组装的单电池在325.2 mA cm^?2电流密度下输出180.0 mW cm^?2的峰值功率密度，性能达到同类AEMs的领先水平。

这项研究的意义在于：首先，开发的水相制备工艺实现了AEMs的绿色制造，全过程无有毒试剂排放；其次，通过生物基材料与合成高分子的巧妙复合，在分子尺度调控膜材料的溶胀各向异性，解决了传统AEMs"高电导率-低强度"的矛盾；最后，五元环阳离子的引入显著提升了材料在强碱环境下的耐久性。该成果为下一代低成本、高性能燃料电池的商业化提供了重要技术路径，相关制备策略还可拓展至其他离子交换膜材料的开发中。