单层LDH纳米片/季铵化聚合物复合膜：具有优异的阴离子导电性和耐碱性，适用于水电解应用

《Journal of Materials Chemistry A》：Monolayer LDH nanosheet / quaternized polymer composite membranes with enhanced anion conductivity and alkaline durability for water electrolysis

通过将无机层状双氢氧化物纳米片（LDH NS）与自研部分氟化四烷基氯化铵聚合物（QPAF-4）复合，制备出兼具高离子电导率（102.0 mS/cm）和优异碱性稳定性（8 M KOH/80°C/1000h后保持80%导电性）的复合膜，显著提升水电解制氢系统性能（1 A/cm2电流密度，76.4%电压效率）。

　　

具有高离子导电性和耐碱性的阴离子交换膜（AEMs）对于实现阴离子交换膜水电解器（AEMWEs）和阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）的高性能和长期耐用性至关重要。在本研究中，我们开发了一系列由无机二维（2D）层状双氢氧化物纳米片（LDH NS）组成的复合膜，这些纳米片本身具有耐碱性，并且具有高氢氧根离子导电性（接近10^-1 S cm^-1）。我们还通过简单的溶液浇铸工艺制备了原创的、部分氟化的、季铵化的聚合物共聚物（QPAF-4）。所得到的有机/无机复合膜（QPAF-4/LDH NS）表现出优异的机械性能，最大延伸率超过300%。在LDH NS含量为3 wt%时，实现了高氢氧根离子导电性（102.0 mS cm^-1）。LDH NS表面的羟基提供了强氢键和高度密集的Grotthuss传导位点，这有助于其与QPAF-4基体的良好相容性，从而提高了机械强度和离子导电性。此外，LDH纳米片还减缓了QPAF-4中铵基团的化学降解。因此，在苛刻的碱性条件下（8 M KOH，80 °C，持续1000小时），复合AEMs的导电性保持率达到了80%，而原始的QPAF-4膜在同一条件下的导电性保持率仅为43%。进一步地，通过将优化的QPAF-4/LDH NS复合膜与Ni?/?Fe?/? LDH-rGO阳极催化剂结合，构建了一个碱性水电解电池，该电池在1.61 V电压下能够产生1 A cm^-2的电流密度（电压效率为76.4%），性能优于现有的AEM电解系统。