磺化聚苯并咪唑实现低碱度离子溶剂化膜电解水技术突破

《Nature Energy》：Sulfonated polybenzimidazole for low-alkalinity ion solvating membrane water electrolysis

本研究针对传统碱性水电解槽需高浓度KOH(20-30 wt%)、Zirfon隔膜低泡点压力限制操作压差等问题，开发了非交联磺化OPBI离子溶剂化膜(ISM)。该膜在1 M KOH中实现135 mS cm-1电导率，80°C下稳定运行6个月，电解槽在2V电压下获得4.8 A cm-2电流密度，H2交叉率<2%，为非铂族金属电极应用开辟新路径。

　　

随着全球碳中和进程加速，绿氢制备技术成为能源转型的关键环节。目前商业化的碱性水电解(AWE)技术虽可采用非贵金属催化剂，但依赖20-30%高浓度氢氧化钾溶液作为电解质，并使用Zirfon多孔隔膜防止氢氧气体混合。这种配置存在固有缺陷：低电流运行时氢气渗透率易超过爆炸极限，高电流时欧姆电阻导致能耗攀升，更棘手的是Zirfon隔膜的2bar低泡点压力严重限制了差压操作能力，增加了氢气压缩成本。另一方面，质子交换膜(PEM)水电解虽可实现高电流密度，但强酸性环境必须使用昂贵的钛基双极板和铂铱催化剂，且全氟磺酸膜存在环境残留风险。 anion exchange membrane water electrolysis (AEMWE, 阴离子交换膜水电解)技术试图折中，但多数阴离子交换膜(AEM)在1M KOH中的电导率不足80mS cm^-1，且季铵基团易发生霍夫曼消除反应而降解。

针对这一技术困局，韩国科学技术研究院(KIST)联合德国航空航天中心等团队在《Nature Energy》发表研究，提出了一种基于磺化聚苯并咪唑(sulfonated polybenzimidazole, SOPBI)的离子溶剂化膜(ion solvating membrane, ISM)新策略。该研究通过精准控制磺化度(degree of sulfonation, DOS)至50%，成功实现了膜材料在0.1-30 wt%宽浓度范围内的稳定运行，打破了传统ISM只能在15-30% KOH中工作的限制。

研究人员采用的关键技术方法包括：通过Friedel-Crafts反应合成不同磺化度的SOPBI共聚物；采用刮涂法制备自支撑膜；通过电化学阻抗谱测量膜电导率；利用改性Hittorf法测定离子迁移数；组装多种电解槽（含铂电极与非铂族金属电极）评估性能；通过气相色谱分析氢气交叉污染；开展长达6个月的高温加速老化实验验证稳定性。

Membrane preparation and properties

通过将4,4'-氧双苯甲酸磺化成钠盐后与二氨基联苯胺共聚，成功制备磺化度为50%、60%、70%的SOPBI材料。50SOPBI在1M KOH中厚度溶胀仅63.2%，远低于传统间位PBI的175%溶胀率，且内部KOH浓度始终高于外部溶液，形成独特的离子传导通道。

Ion conductivity and alkaline stability

经80°C预活化处理后，50SOPBI-act在1M KOH中的电导率提升至135 mS cm^-1(25°C)，80°C时达358 mS cm^-1。离子迁移数测试显示OH^-迁移数随阳极浓度降低而减小，说明膜特性沿浓度梯度动态变化。加速老化实验表明材料在80°C、2M KOH中200天后分子量保持稳定，FTIR谱图未出现醚键断裂特征峰。

Electrolysis performance and durability

采用Pt/C阴极和NiFe阳极的电解槽在3M KOH、80°C条件下，50SOPBI-act在2V电压下获得4.8A cm^-2的电流密度，显著优于商用Piperion膜(3.8A cm^-2)。非铂催化剂电解槽在2M KOH中同样实现1.91A cm^-2的优异性能。聚苯硫醚(PPS)增强膜在500h耐久测试中电压衰减率仅35.6μV h^-1。

H₂crossover and scaled-up verification

氢气透过率测试表明，在2M KOH、60°C条件下，50SOPBI-act在≥50mA cm^-2电流密度时H₂在氧气中的含量(HTO)即可低于2%安全线，而Piperion膜需要150mA cm^-2。25cm²放大实验进一步验证了技术的工程化可行性。

该研究通过分子设计实现了离子溶剂化膜材料的突破性进展：磺化苯并咪唑负电荷位点既增强醚键抗水解能力，又通过局部高电解质吸收区域促进离子传导。50%磺化度的优化设计使膜材料兼具高电导率(1M KOH中135mS cm^-1)与卓越耐久性(80°C下200天无降解)，成本核算显示膜材料仅需59美元/m²。这项技术为绿色制氢提供了兼顾性能、成本与安全性的全新解决方案，有望推动水电解技术向低碱度、高效率、非贵金属方向革新。