功能化的MXene增强聚对苯二甲酸乙二醇酯（PPO）基纳米复合阴离子交换膜，用于高性能水电解

《Desalination》：Functionalized MXene-reinforced PPO-based nanocomposite anion exchange membranes for high-performance water electrolysis

本研究开发了以QPPO聚合物为基体，铵基修饰MXene为增强相的纳米复合阴离子交换膜（AEM），显著提升了离子导电性（153.2 mS cm?1）、机械强度（61.2 MPa）和耐碱性（80.2%保留率）。通过形成微相分离结构，优化了离子传输路径和材料稳定性，为高效可持续的碱性水电解制氢系统提供了新方案。

　　在当今全球能源需求迅速增长的背景下，清洁能源的开发与利用成为解决环境问题和推动可持续发展的重要途径。氢作为一种高能量密度、无碳排放的能源载体，其在绿色能源体系中的应用前景广阔。然而，目前氢的生产技术仍面临诸多挑战，尤其是在电解水技术中，如何实现高效、稳定的氢气生成，同时降低生产成本，是该领域亟需突破的关键问题。在此背景下，**阳离子交换膜水电解（AEMWE）**作为一种新兴的电解水技术，因其无需依赖贵金属催化剂、具有成本优势和环境友好性，正逐渐成为研究热点。

AEMWE的核心组件之一是**阳离子交换膜（AEM）**，其性能直接决定了整个系统的效率与稳定性。AEM需要在保持高离子导电性（IC）的同时，具备良好的机械强度、热稳定性以及对碱性环境的耐受性。然而，传统AEM材料在性能提升与结构稳定性之间往往存在权衡，这限制了其在实际应用中的性能表现。为了解决这一问题，研究人员尝试通过引入新型纳米填料来改善AEM的性能。其中，**MXene**作为一种具有高比表面积、可调节表面化学特性和优异离子导电性的二维纳米材料，被广泛研究用于提升聚合物基AEM的性能。

在本研究中，科学家们通过将**铵功能化的MXene（NH??-Ti?C?Tx）**作为填料，与**季铵化聚苯醚（QPPO）**结合，开发出一系列**纳米复合AEM**。这一策略旨在通过MXene的物理和化学特性，优化AEM的结构，从而提升其在碱性条件下的稳定性与离子传导能力。实验结果表明，其中**QPPO-NH?-Mx-3.0**表现出最优异的综合性能。其在80°C时的OH?离子导电性达到153.2 mS cm?1，是原始QPPO膜的2.5倍。此外，该膜的拉伸强度达到61.2 MPa，是原始QPPO膜的4倍，且在60°C、1M KOH中，其最大电流密度可达2.1 A cm?2，显示出良好的电化学性能。更重要的是，该膜在3周的1M KOH浸泡后仍能保持80.2%的初始离子导电性，表现出优异的碱性稳定性。在长期电解测试中，其电压衰减率仅为1.5 mV h?1，表明其在长时间运行中仍能保持稳定性能。

这些性能的提升主要归功于MXene在QPPO基质中形成的**微相分离（MIPS）结构**。MXene的亲水性官能团（如-OH、-NH?、-F等）与QPPO的疏水性形成对比，从而在膜中构建出明确的亲水和疏水区域。这种结构不仅提供了连续的离子传导路径，还通过疏水区域的强化作用，提升了膜的机械强度和热稳定性。MIPS结构的形成，有效解决了传统AEM在离子导电性与机械性能之间的矛盾，使得膜在保持高效离子传导的同时，具备良好的结构稳定性。

为了进一步验证这一机制，研究者采用多种表征手段，包括**FESEM、EDX、AFM、SAXS和XPS**等。这些技术不仅揭示了MXene在QPPO中的均匀分散，还证明了其与聚合物基质之间的良好兼容性。例如，FESEM图像显示，随着MXene含量的增加，膜表面的粗糙度也相应增加，但这种变化并未导致膜结构的破坏，反而增强了膜的机械性能。EDX分析进一步证实了MXene与QPPO基质之间的化学结合，其中碳、氧、氮、氟和钛的分布均匀，表明MXene的引入并未影响膜的整体结构。

在电化学性能方面，QPPO-NH?-Mx-3.0表现出显著的优势。其离子导电性随着温度的升高而增强，表明该膜在高温条件下仍能保持良好的性能。此外，通过与传统AEM和商业膜的对比，研究者发现QPPO-NH?-Mx-3.0的离子导电性远高于其他研究中报道的PPO基AEM，同时其在碱性条件下的稳定性也优于多数现有材料。这使得QPPO-NH?-Mx-3.0成为一种极具潜力的AEM材料，有望在未来的AEMWE技术中发挥重要作用。

尽管QPPO-NH?-Mx-3.0在性能上表现突出，但研究者也指出了其在实际应用中可能面临的挑战。例如，MXene的高成本可能限制其大规模应用；此外，MXene在膜中的分散性和界面相容性仍需进一步优化，以提升其在高负载条件下的性能表现。为了克服这些挑战，研究者建议未来可以通过**表面改性、引入弹性交联剂**等方法，进一步改善膜的机械性能与加工可行性。

从整体来看，QPPO-NH?-Mx-3.0的开发为AEMWE技术提供了新的解决方案。其通过构建微相分离结构，成功实现了离子导电性、机械强度和碱性稳定性之间的平衡，为高效、可靠的水电解系统奠定了基础。随着对MXene材料研究的深入，以及对AEM设计的不断优化，这种纳米复合膜有望在未来推动绿色氢能的规模化生产和应用，为实现碳中和目标提供技术支持。