通过侧链长度优化增强两性离子聚丙烯酸酯基阴离子交换膜的氢氧根电导率及其在清洁能源技术中的应用

为解决阴离子交换膜(AEMs)在高氢氧根电导率与尺寸稳定性之间的平衡难题，研究人员创新性地设计了一系列两性离子聚丙烯酸酯基AEMs（PSBPA-X/BSBPA-X），通过优化两性离子间间隔长度显著提升微相分离和离子传输效率。结果表明，BSBPA-40膜在80°C和90%相对湿度下实现102.1 mS/cm的超高OH- 电导率，并展现出480.5%的断裂伸长率。该膜组装的锌空气电池功率密度达156.7 mW/cm2 ，水电解性能在2.0V时电流密度达2.1 A/cm2 ，为可持续能源技术提供了突破性解决方案。

　　

在全球能源转型的迫切需求下，阴离子交换膜(AEMs)作为燃料电池、锌空气电池(ZAB)和水电解技术的核心组件，其性能直接决定能源转换效率。然而传统AEMs面临"导电性-稳定性"的跷跷板困境：提高离子交换容量(IEC)虽能增强氢氧根(OH^-
)电导率，却易导致膜溶胀和机械强度下降。更棘手的是，刚性聚合物骨架会阻碍离子簇形成，而过度亲水的化学结构又可能引发碱性环境下的降解。这些矛盾如同"导电性、稳定性、柔性"的不可能三角，长期制约着AEMs在工业场景中的应用突破。

针对这一系列挑战，中国科学院的研究团队独辟蹊径，从分子结构工程角度提出创新解决方案。他们选择具有优异柔性和化学惰性的聚丙烯酸酯作为基质，通过引入两性离子(zwitterions)构建"刚柔并济"的分子网络。研究团队设计出PSBPA-X和BSBPA-X两大系列膜材料（X=20,30,40），关键创新在于精确调控两性离子间间隔基长度——分别采用丙烷磺酸内酯(PS)和丁烷磺酸内酯(BS)构筑不同长度的侧链。这种"分子尺子"般的精细调控，使材料同时具备优异的离子传导通道和三维稳定性。相关成果发表在《Green Energy》期刊，为清洁能源材料设计提供了新范式。

研究采用多尺度表征与模拟相结合的方法体系：通过原子力显微镜(AFM)观测微相分离形貌，结合密度泛函理论(DFT)计算静电势分布；采用分子动力学(MD)模拟OH^-
扩散系数；通过交流阻抗谱测定离子电导率；并建立锌空气电池和水电解槽测试平台评估实际性能。特别值得注意的是，团队创新性地将Materials Studio模拟平台的TS方法校正引入膜材料设计，实现了从量子尺度到宏观性能的跨尺度关联。

【化学结构分析】核磁共振(¹
H NMR)和X射线光电子能谱(XPS)证实两性离子成功接枝。BSBPA-40中N⁺
的原子点电荷达0.253e，显著高于PSBPA-40的0.091e，表明长间隔基削弱了N⁺
与SO₃
^-
的静电相互作用，使季铵阳离子更易与OH^-
结合。

【膜形态学】AFM三维图像显示BSBPA-40具有更丰富的互联亲水域，表面粗糙度(Rq=2.25)显著高于PSBPA-40(Rq=1.95)。这种"水系高速公路"般的结构使其自由体积达17.3%，为OH^-
传输提供充足空间。

【性能优化】BSBPA-40在80°C时OH^-
电导率突破102.1 mS/cm，活化能仅15 kJ/mol。分子模拟揭示其OH^-
扩散系数(0.52×10^-6
cm²
/s)是PSBPA-40的3倍，归因于更低的相互作用能(-5.03 Kcal/mol vs -5.38 Kcal/mol)。

【稳定性突破】在6M KOH中浸泡360小时后，BSBPA-40仍保持85.1%电导率。热重分析显示其主链分解温度达412.6°C，机械测试展现480.5%的断裂伸长率，可承载500g重量而不破裂。

【能源应用】BSBPA-40组装的锌空气电池功率密度达156.7 mW/cm²
，是商用A901膜的2.4倍；水电解性能在2.0V时电流密度2.1 A/cm²
，连续运行电压衰减率仅424 μV/h。

这项研究通过"侧链长度-微相分离-离子传导"的精准调控，成功打破AEMs的"导电-稳定"权衡困局。其科学价值体现在三方面：首先，证实延长两性离子间隔基可同步提升电导率(102.1 mS/cm)和柔性(480.5%伸长率)，这一发现颠覆了传统增韧必降导电的认知；其次，创建的"静电势-相互作用能-扩散系数"多尺度关联模型，为离子传导材料设计提供新范式；最后，演示的156.7 mW/cm²
锌空气电池性能，使聚丙烯酸酯基AEMs首次达到实用化水平。该工作不仅为清洁能源器件提供高性能膜材料，其"以柔促导"的设计理念对发展下一代能源材料具有重要启示意义。