高性能嵌段支化聚芳基哌啶阴离子交换膜的制备及其在水电解制氢中的应用

针对阴离子交换膜(AEM)在电解水制氢中面临的离子电导率与尺寸稳定性难以兼顾的难题，研究人员创新性提出"嵌段支化"策略，以四苯基甲烷和N-甲基哌啶酮为原料构建嵌段支化聚芳基哌啶膜(B-QPTTP-7.5%)。该膜在80℃下展现180.9 mS cm-1 的OH- 电导率和500小时稳定运行能力，为高性能AEM电解槽开发提供了新思路。

　　

随着全球碳中和进程加速，氢能作为清洁能源载体备受关注。阴离子交换膜水电解(AEMWE)技术兼具传统碱性电解的低成本优势与质子交换膜电解的高效率特点，被视为下一代绿氢制备的关键技术。然而，作为核心部件的阴离子交换膜(AEM)长期面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：提高OH^-
电导率往往导致膜过度溶胀，而增强尺寸稳定性又会抑制离子传输。更棘手的是，强碱性工作环境使膜材料易发生降解，严重制约着AEMWE的商业化进程。

针对这一系列挑战，某研究机构团队在《Journal of Membrane Science》发表创新成果。研究人员另辟蹊径，将支化结构与嵌段聚合的优势相结合，提出"嵌段支化"新策略。通过将四苯基甲烷(TPM)衍生的刚性支化单元TPMP与线性聚对三联苯二甲基哌啶(QPTP)进行化学键合，成功构建出具有分级孔道结构的B-QPTTP系列膜材料。令人振奋的是，最优样品B-QPTTP-7.5%不仅创下180.9 mS cm^-1
的OH^-
电导率纪录，在80℃强碱环境中历经2000小时仍保持95.6%的电导率，更在电解槽测试中实现1.57 A·cm^-2
@2V的高电流密度和500小时稳定运行。这项研究为突破AEM材料"性能跷跷板"提供了全新解决方案。

关键技术包括：1)通过Friedel-Crafts烷基化缩聚反应构建无芳醚键的嵌段支化骨架；2)采用四苯基甲烷刚性支化剂调控微孔结构；3)通过¹
H NMR和SAXS等多尺度表征技术解析膜结构；4)建立标准化测试体系评估电导率、溶胀率和碱性稳定性等关键指标。

【合成与结构表征】
研究团队首先设计合成嵌段支化单元TPMP，并通过¹
H NMR证实其结构。与随机支化膜R-QPTTP相比，嵌段支化膜B-QPTTP的SAXS曲线在0.5-1 nm^-1
处出现新散射峰，证实其独特的微相分离结构。气体吸附测试显示B-QPTTP-7.5%的微孔体积达0.23 cm³
g^-1
，比随机支化膜提高38%，这为离子传输创造了更多通道。

【性能对比研究】
在80℃水中，B-QPTTP-7.5%展现出180.9 mS cm^-1
的超高OH^-
电导率，较相同原料的混合基质膜提升42%。更重要的是，其溶胀率(12.9%)显著低于随机支化膜(15.3%)，破解了"高电导必伴随高溶胀"的魔咒。分子动力学模拟揭示，嵌段支化结构能形成尺寸均一的亲水域，既促进离子传输又限制过度吸水。

【电解槽性能】
采用B-QPTTP-7.5%组装的AEMWE在1 M KOH、80℃条件下实现1.57 A·cm^-2
@2V的电流密度，远超商业膜FAA-3-50(1.02 A·cm^-2
)。持续500小时@0.5 A·cm^-2
的测试中电压衰减率<1%，SEM显示测试后膜结构保持完整，催化剂层无脱落，证实其卓越的工况稳定性。

这项研究通过"嵌段支化"的分子设计策略，成功实现了AEM材料离子电导率、尺寸稳定性和化学稳定性的协同提升。其创新价值体现在三方面：首先，证实刚性支化单元与嵌段结构的协同效应可优化膜微观结构；其次，建立了"微孔体积-离子传输-溶胀行为"的构效关系模型；最后，为开发非贵金属催化剂兼容的高性能电解槽提供了材料基础。该成果不仅推动AEMWE技术向产业化迈出关键一步，其设计理念对其它功能膜材料开发也具有重要借鉴意义。