热传导网络增强氢氧化物交换膜原位稳定性实现持久水电解

针对氢氧化物交换膜(HEM)在强碱电解环境中稳定性不足的问题，天津大学团队通过构建三维氮化硼(BN)热传导网络，将HEM热导率提升32倍至13 W m-1 K-1，使电解槽工作温度降低4.9°C，实现20,000次启停循环零衰减，降解速率较纯聚合物膜降低6倍，为HEM水电解(HEMWE)商业化提供新策略。

　　

在碳中和目标推动下，绿色制氢技术成为能源转型的关键。氢氧化物交换膜水电解(HEMWE)因其低成本和高效率备受关注，但核心组件氢氧化物交换膜(HEM)在强碱和高温工况下的快速降解成为技术瓶颈。传统研究聚焦于化学结构改性提升离子电导率，却忽视了电解过程中局部热积累对膜材料的致命损伤——商用HEM在静态碱液中可稳定工作1200小时，但在动态电解槽中寿命不足72小时，这种"原位稳定性困境"长期未获解决。

天津大学化工学院的研究团队在《Nature Communications》发表突破性研究，首次揭示HEM降解的物理机制：低热导率(<1 W m^-1 K^-1)导致膜电极区域局部温度较环境温度升高9°C（2 A cm^-2工况），加速季铵基团的霍夫曼消除反应。通过微热电偶测量和有限元模拟发现，电流密度每提升1 A cm^-2，膜温上升4-5°C，降解速率呈指数增长。

研究团队创新性地采用二维氮化硼(BN)纳米片构建三维热传导网络，开发出QCS/10.6%BN复合膜，其热导率达6.2 W m^-1 K^-1（提升15倍），离子电导率同步提升至64.5 mS cm^-1。关键技术创新包括：(1)微流体剥离法制备大尺寸BN纳米片；(2)介电弛豫谱证实纳米限域效应加速氢氧根传输；(3)密度泛函理论计算揭示热稳定化降低降解能垒。

【Origin of the low in situ stability of HEM】

通过插入式微热电偶测量发现，商用FAAM-40膜在2 A cm^-2电解时膜-电极界面温度(T_b)较气体扩散层高3.2°C。有限元模拟显示，将HEM热导率从0.4提升至13 W m^-1 K^-1可使4 A cm^-2工况下膜温降低13.7°C。

【Construction of 3D thermally conductive HEMs】

采用季铵化壳聚糖(QCS)为基质，10.6 vol% BN构建的复合膜形成连续三维网络，AFM显示BN层间距<10 nm。激光闪射法测得QCS/16.1%BN热导率达13 W m^-1 K^-1，红外热成像显示其冷却速率较纯QCS快6倍。

【High ionic conductivity enabled by 2D nanoconfinement】

介电弛豫谱发现BN纳米限域使水分子偶极弛豫时间从2 ms缩短至0.01 ms，降低氢氧根传输活化能从9.35 kJ mol^-1降至8.20 kJ mol^-1，实现离子电导率与机械强度(75.8 MPa)同步提升。

【In-situ stability of thermally conductive HEM】

1H NMR显示经过12小时电解后，高导热膜季铵基团保留率达92%，较纯QCS提高37%。QAPPT/8.9%BN膜在90°C、15% KOH中运行1000小时电压衰减仅121 μV h^-1，为同类最佳。

这项研究颠覆了HEM材料设计范式，证明热管理性能与化学稳定性同等重要。所开发的BN复合膜在-30°C低温启动时间仅3.94秒，且适用于110°C高温工况，为适应可再生能源波动性提供了关键材料解决方案。该成果不仅推动HEMWE技术商业化进程，其"热-电协同调控"策略对质子交换膜、离子溶剂膜等能源器件设计具有普适指导意义。