PEO侧链长度调控的离子溶剂化共混膜性能优化及其在碱性水电解中的应用

为解决碱性水电解（AWE）中传统隔膜机械强度不足和离子电导率低的问题，研究人员通过PEO功能化单体策略设计新型聚吲哚共聚物，并与m-PBI共混制备纳米相分离的离子溶剂化膜（ISMs）。该膜在30 wt.% KOH中展现出超高电导率（>100 mS cm-1）和250小时长期稳定性，电流密度达1.36 A cm-2@1.8V，为低成本高效制氢提供了新材料方案。

　　

随着全球能源结构转型，绿氢制备技术成为实现碳中和的关键路径。传统碱性水电解（AWE）虽可采用非贵金属催化剂降低成本，但其核心组件——多孔隔膜存在离子电导率低、机械稳定性差等瓶颈，导致电流密度局限在0.2-0.4 A cm^-2。更先进的质子交换膜电解（PEMWE）虽性能优异，却依赖昂贵的铂/铱催化剂。这一矛盾促使科学家将目光投向离子溶剂化膜（ISMs），这类材料通过吸收电解液形成聚合物-水-碱三元体系实现OH^-传导，兼具高电导率和化学稳定性优势。

针对现有ISMs材料中聚苯并咪唑（m-PBI）在强碱环境下易发生C2位亲核攻击导致降解的问题，国外研究团队创新性地将长链聚乙二醇（PEO, MW750）接枝到聚吲哚骨架上，通过超酸催化羟基烷基化反应合成新型共聚物P(IB-PEO₇₅₀)。该材料因PEO侧链增加自由体积，在10 wt.% KOH中即表现出104%的电解液吸收率，但过度溶胀导致力学性能下降。为此，研究人员采用与m-PBI共混的策略，制备出具有纳米相分离结构的PBI80/P(IB-PEO₇₅₀)共混膜，相关工作发表在《Journal of Membrane Science》。

研究团队运用了以下关键技术：1）通过¹H NMR和ATR-FTIR表征共聚物结构；2）采用SEM观察纳米相分离形貌；3）通过电化学阻抗谱测试离子电导率；4）在80℃/30 wt.% KOH中进行1440小时加速老化实验；5）使用镍基电极组装电解槽评估性能。

3.1 单体合成与表征
通过三步反应制备PEO₇₅₀功能化对三联苯单体，¹H NMR显示3.45 ppm处PEO亚甲基峰证实成功合成。共聚物P(IB-PEO₇₅₀)-20的分子量达92,000，热重分析显示300℃和470℃两阶段分解分别对应PEO侧链和主链降解。

3.2 共混膜性能调控
SEM显示共混膜中25-60 nm的亲水区域均匀分散（图4）。当P(IB-PEO₇₅₀)-20含量为20 wt.%时，膜在30 wt.% KOH中电解液吸收率达150%，KOH重量分数17%，均优于纯m-PBI。XRD证实共混使d-间距从3.54 ?增至4.04 ?，促进离子传输。

3.2.3 电导率与稳定性
PBI80/P(IB-PEO₇₅₀)在80℃时电导率达117 mS cm^-1（图8）。1440小时老化后仍保持89.6 mS cm^-1，ATR-IR显示1715 cm^-1处酰胺键未断裂，1689 cm^-1位移表明K⁺与吲哚酮羰基的配位作用（图10a），这种静电相互作用是稳定性的关键。

3.2.5 电解性能
采用雷尼镍电极测试显示，短链PEO（MW350）共混膜性能更优（1.36 A cm^-2@1.8V），但PBI80/P(IB-PEO₇₅₀)展现出更优耐久性（250小时 vs 160小时）。两种膜的H₂/O₂交叉均低于1.65 vol%（图12），满足安全标准。

该研究通过分子设计实现了ISMs性能的精准调控：长链PEO增加自由体积提升电导率，m-PBI共混保障机械强度，而吲哚酮与咪唑基团的协同作用赋予卓越碱稳定性。相比传统Zirfon隔膜（0.63 A cm^-2@1.8V），新材料性能提升116%，且无需贵金属催化剂，为新一代AWE技术商业化提供了关键材料支撑。未来通过优化PEO链长与共混比例，有望进一步突破性能瓶颈。