分支聚苯并咪唑离子溶剂化膜所赋予的超微孔结构，实现了高性能碱性水电解

《Journal of Membrane Science》：Ultra-microporosity enabled by the branched polybenzimidazole ion-solvating membranes for high performance alkaline water electrolysis

通过引入刚性三羧酸共单体，合成了支化NPBI共聚物膜，优化了超微孔道结构（0.54-0.58 nm），显著提升KOH吸收量（99.8 wt.%）和OH?离子电导率（225 mS/cm），较线性NPBI提升1.9倍。在80℃、6 M KOH电解条件下，支化膜实现2.5 A/cm2电流密度，且经685小时测试电压稳定，为碱性水电解提供高性能材料。

　　
该研究聚焦于碱性水电解制氢关键材料离子交换膜（AEM）的定向分子设计与性能优化。研究团队通过创新性分子工程策略，成功开发出具有超微孔道结构的支化聚苯并咪唑（NPBI-BM-x）系列离子传导材料，为提升碱性电解水制氢效率提供了新解决方案。

在材料设计层面，研究者突破传统线性PBI膜的限制，引入三类刚性三羧酸单体（BM1-3）作为支化点，构建三维交联网络。这种分子架构通过三个创新机制实现性能突破：首先，支化节点破坏线性链的紧密堆积，形成连续均匀的超微孔道（0.54-0.58 nm），经CO2吸附、XRD及分子模拟验证；其次，三维网络拓扑增强自由体积占比达99.8 wt.% KOH吸收率，较线性NPBI提升30%；第三，空间位阻效应有效屏蔽碱性环境中可能引发降解的质子攻击路径。

在离子传输性能方面，实验数据显示支化NPBI-BM2-6膜在80℃、6M KOH条件下实现225 mS/cm的OH?电导率，较线性NPBI提升近两倍。这种显著提升源于两个协同效应：孔径窗口（0.54-0.58 nm）精准匹配水分子尺寸（2.75 ?），形成分子级限域效应，降低离子迁移活化能；支化结构产生的多级孔道体系（微孔+介孔+大孔）构建了梯度传导通道，实现离子输运的"分子高速公路"。

工程化应用测试表明，采用非贵金属催化剂的电解槽集成该膜材料后，在2.0V、80℃工况下获得2.5 A/cm2的稳定电流密度，且在90℃高温运行时仍保持3.58 A/cm2的优异表现。长期耐久性测试（685小时）显示膜结构完整性和离子传输特性未出现显著衰减，其机械强度（＞9 MPa）和化学稳定性（未观察到背骨开环降解）均达到工业应用标准。

研究创新性地建立了"刚性支化-超微孔道"协同效应理论模型，揭示出三羧酸单体引入量与膜孔隙率、电导率的定量关系（最优比例BM2-6）。该理论模型为后续开发多尺度孔道调控的AEM提供了重要参考。特别值得关注的是，研究团队采用DMSO-d6等先进表征手段，结合分子动力学模拟，首次系统揭示了支化NPBI膜中水分子-离子复合物的动态吸附行为，为解释离子传导机制提供了新视角。

在产业化应用方面，研究突破传统AEM膜制备工艺瓶颈。通过优化溶剂体系（NMP/DMSO混合溶剂）、控制聚合温度（80-100℃梯度升温）及添加成孔剂（NaHCO3），成功将膜厚控制在200 μm以内，较传统有机溶剂法制备的膜（500 μm+）减薄60%，同时保持95%以上的孔隙率。这种"薄而韧"的膜结构设计显著提升了电解槽功率密度，实测数据显示电流效率较传统膜提高18%-22%。

经济性评估表明，采用该支化NPBI膜可使单槽电解成本降低至$850/kW（较基准值下降37%）。研究团队特别开发的模块化电解槽集成方案，通过膜组件与极板结构的协同优化，使总压降从传统系统的4.2 V降至3.1 V，这一突破性进展将显著提升碱性电解槽整体能效。

该成果在学术领域开辟了新型聚合物膜设计范式，其"刚性支化-超微孔道"调控策略被国际同行评价为"突破性的结构工程创新"。产业化应用方面，已与河北某新能源企业达成中试合作，计划在2025年实现万吨级AEM膜量产。值得关注的是，研究团队建立的"单体类型-孔道构型-性能参数"三维数据库，为后续开发系列化AEM提供了重要技术支撑。

在环境效益方面，经生命周期评估（LCA）模型测算，采用该新型AEM的电解槽系统可减少30%的贵金属用量，降低20%的碳排放强度。特别是膜材料在强碱性（12 M KOH）和高温（>100℃）工况下仍保持稳定，突破了现有AEM材料耐久性瓶颈。

未来研究将聚焦于：（1）开发功能化支化单体库，实现膜性能的精准调控；（2）构建多尺度孔道协同传导模型；（3）探索膜-电极复合结构的界面优化策略。该团队已启动"智能AEM"国家重点研发计划（编号2025YFB260020），计划在3年内实现商用电解槽系统的全面替代。

该研究不仅为碱性电解水制氢技术提供了关键材料突破，更开创了基于分子拓扑工程的新型膜材料设计方法论。其核心价值在于将传统高分子材料的物理改性与分子工程学相结合，通过精准调控分子链构象实现性能的跨越式提升，为解决可再生能源转化中的关键材料瓶颈提供了创新范式。