通过调节多嵌段聚(芳基烷基)膜中亲水通道的大小来实现阴离子交换膜水电解的应用

《Desalination》：Tailoring hydrophilic channels size in multiblock poly(aryl alkyl) membranes for anion exchange membrane water electrolysis

聚酰亚胺膜通过调节嵌段长度精准控制亲水通道尺寸，实现80℃下133.6 mS/cm2离子电导率和85%碱性稳定性，在水分解电解槽中展现1.02 A/cm2电流密度及98小时持续运行性能。

　　在当前的能源转换技术中，离子交换膜扮演着至关重要的角色，尤其是在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和碱性阴离子交换膜水电解器（AEMWEs）等系统中。阴离子交换膜（AEMs）不仅需要具备高效的离子传导能力，还必须在高温和强碱性环境下保持良好的稳定性。这些性能直接关系到系统的运行效率和使用寿命，因此，如何通过合理的分子结构设计来调控AEMs的微观相分离形态，尤其是其中的亲水通道尺寸，成为研究的重点之一。

目前，AEMs的研究主要集中在提高其离子传导性和碱性稳定性两个方面。传统的AEMs多采用聚醚类材料，如聚醚酮（PEK）、聚苯醚（PPO）和聚醚砜（PES）。然而，这类材料在碱性条件下容易受到亲核攻击，导致醚键断裂，进而引发聚合物主链的降解。这种降解不仅降低了膜的离子传导能力，还影响了其机械性能和长期稳定性。因此，研究者们开始探索具有更强化学稳定性的聚合物主链，例如不含醚键的聚苯并咪唑（PBI）和聚苯乙烯（PS），尤其是以芳香族烷基为骨架的PAA材料，因其较高的热稳定性和化学稳定性而备受关注。

PAA类材料由于其主链中不含易被攻击的醚键，能够有效抵抗碱性环境下的降解。然而，这类材料在自组装行为方面存在一定的局限性，通常表现出较弱的热力学驱动力，导致其微相分离结构不够理想，从而影响了离子传导性能。为了克服这一问题，研究者们尝试了多种策略，包括π-π共轭效应的引入、侧链接枝以及自由体积的调控。例如，通过π-π共轭可以增强分子间的相互作用，促进有序结构的形成；通过侧链接枝可以在主链上引入功能基团，提高膜的亲水性；而通过调控自由体积则可以优化离子通道的分布和尺寸。

在这一背景下，本文提出了一种新的多嵌段AEMs设计策略，即通过控制亲水段和疏水段的长度，实现对亲水通道尺寸的精确调控。所设计的多嵌段AEMs命名为PBF-b(t)-PBQ，其中包含超级疏水的氟化段和超级亲水的二价阳离子悬挂段。通过调节这两个段的长度，研究团队成功地构建了一个具有高度连通性和较大通道宽度的离子传导路径，从而显著提高了膜的OH?传导性能。实验结果表明，PBF-b(20?h)-PBQ膜在80?°C下的OH?传导率可达到131.6 mS cm?1，这一数值在当前AEMs研究中具有较高的竞争力。

此外，PAA类材料的全碳骨架结构赋予了膜出色的碱性稳定性。实验结果显示，在1?M KOH溶液中，该膜在80?°C下连续运行55天后，OH?传导率仍能保持84.8%的水平，显示出良好的耐碱性能。这一特性对于AEMWEs的应用尤为重要，因为水电解过程通常需要在高温和强碱性条件下进行，以提高反应效率和系统稳定性。

为了验证这一设计策略的有效性，研究团队将PBF-b(20?h)-PBQ膜应用于AEMWEs中，并在1?M KOH溶液和80?°C条件下进行了测试。实验结果表明，该膜在2.06?V电压下可实现1.02 A cm?2的电流密度，并且能够在0.5 A cm?2的电流密度下持续运行98小时，表现出优异的水电解性能。这不仅证明了该膜在离子传导和碱性稳定性方面的优势，还展示了其在实际应用中的潜力。

总的来说，本文的研究为PAA类AEMs的性能优化提供了一种新的思路。通过多嵌段结构的设计，研究者们能够更有效地调控亲水通道的尺寸和分布，从而提升膜的离子传导能力和碱性稳定性。这一成果不仅有助于推动AEMs在能源转换设备中的应用，也为未来开发高性能的膜材料奠定了基础。此外，研究团队在合成和表征方面的努力，以及对材料性能的深入分析，也为后续研究提供了重要的参考和指导。