微孔离子聚合物通道工程增强阴离子交换膜中的离子传输：高效稳定电化学能源器件的新策略

研究人员针对阴离子交换膜(AEMs)离子传导率与稳定性难以兼顾的难题，通过设计微孔离子聚合物(MIP)复合膜，构建了互连传输通道。所得MIP-AEM-20%膜在80°C下实现180 mS·cm-1的OH-电导率，机械强度>35 MPa，并在2000小时苛刻条件下保持稳定，为下一代电解水/燃料电池提供了突破性材料。

　　

随着可再生能源技术的快速发展，水电解制氢、燃料电池和CO₂电还原等电化学过程成为能源转型的关键。然而，作为这些技术核心部件的离子交换膜，尤其是阴离子交换膜(AEMs)，长期面临离子传导效率与化学稳定性难以兼得的困境。传统策略如增加离子交换容量(IEC)虽能提升OH^-电导率，却往往导致膜溶胀和机械强度下降；而微相分离形成的无定形亲水域又存在传输阻力大、结构不稳定的缺陷。更严峻的是，多数高性能AEMs的聚合物骨架含杂原子，在80°C强碱(如1M KOH)环境中易发生降解，严重制约其实际应用。

针对这一系列挑战，清华大学的研究团队创新性地将微孔离子聚合物(MIP)引入聚(三蝶烯-哌啶鎓)骨架，开发出兼具高离子传导性和卓越稳定性的复合膜材料。相关成果发表于《Journal of Membrane Science》。研究通过Friedel-Crafts反应合成基质聚合物，采用CO₂吸附和脉冲场梯度核磁共振(PFG-NMR)表征微孔结构，系统评估了不同MIP含量(5-20 wt%)对膜性能的影响。

材料与表征
通过¹H NMR确认聚(芳基哌啶鎓)(PAP-TP-85)的化学结构，特征峰显示芳香质子(δ 7.10-7.90 ppm)与哌啶鎓质子(δ 2.60-3.60 ppm)的成功键合。MIP的引入未破坏聚合物相容性，20%负载量下仍保持35 MPa的拉伸强度。

离子传输性能
MIP构建的互连微孔域将OH^-扩散系数提升至2.51×10^-10 m²·s^-1，电导率达180 mS·cm^-1，显著优于传统微相分离膜(通常<100 mS·cm^-1)。PFG-NMR证实微孔通道降低了H₂O/OH^-传输能垒。

化学稳定性
无杂原子骨架设计使MIP-AEM-20%在2000小时加速老化测试中仅损失10%电导率，远优于含氮/氧骨架的共价有机框架(COF)基AEMs。

电解水应用
装配MIP-AEM-20%的电解槽在2.0 V下获得6.3 A·cm^-2的电流密度，1 A·cm^-2恒流运行1000小时后性能无衰减，验证了其工业化潜力。

这项研究通过微孔通道工程与化学稳定性设计的协同，突破了AEMs的"导电-稳定"权衡难题。MIP构建的定向传输路径实现了低IEC(0.82 mmol·g^-1)下的高电导率，而无杂原子骨架抵御了碱腐蚀。该成果不仅为电解水/燃料电池提供了新一代膜材料，其微孔调控策略对开发其他离子传导器件具有普适意义。研究获得国家自然科学基金(22278239)和国家重点研发计划(2022YFB2404903)支持，展现了从基础创新到应用转化的完整链条。