三维花状球形MgAl层状双氢氧化物掺杂季铵化壳聚糖可持续双极膜：加速水解离与耐久性优化

为解决双极膜(BPMs)水解离效率低和机械稳定性差的问题，研究人员通过水热法合成三维花状MgAl-LDH掺杂季铵化壳聚糖(QCS)基阴离子交换层(AEL)，开发出具有高离子电导率(40.6 mS cm?1)和优异机械强度(4.41 MPa)的复合膜。该膜与水解聚丙烯腈(HPAN)阳离子层组成的BPM在40 mA cm?2下仅需0.76 V跨膜电压，并实现72小时稳定运行，为电渗析和资源回收提供了可持续解决方案。

　　

在能源与环境技术领域，双极膜(BPMs)因其独特的水解离能力成为研究热点，可将水分子高效分解为H⁺和OH^?离子，广泛应用于电渗析、CO₂还原和燃料电池等领域。然而，传统BPMs面临两大瓶颈：一是阴离子交换层(AEL)的离子电导率与机械性能难以兼顾，二是界面水解离动力学缓慢导致能耗升高。现有研究多聚焦于界面催化剂（如Fe-MIL-101-NH₂、碳纳米管）的引入，却忽视了AEL材料本身的优化。更棘手的是，传统AEL依赖致癌性氯甲基化试剂和昂贵芳烃聚合物，既危害环境又限制规模化生产。

针对这些挑战，天津理工大学的研究团队提出了一种创新策略：将三维花状球形MgAl层状双氢氧化物(LDH)掺杂至生物基季铵化壳聚糖(QCS)基质中，构建高性能AEL。通过一步水热法合成的MgAl-LDH具有超薄纳米片自组装结构，其丰富的表面羟基和超大比表面积（142.3 m² g^?1）为离子传输提供了高效通道。QCS则通过环保的季铵化反应引入三甲基铵基团，避免了传统工艺的毒性风险。研究团队通过调控温湿度等参数优化复合材料微晶有序度，最终开发出LDH0.9%/HPAN双极膜系统。

关键技术包括：1）水热法制备3D花状MgAl-LDH；2）GTMAC季铵化修饰壳聚糖；3）溶液浇铸法制备LDH-QCS/PVA复合膜；4）电化学阻抗谱评估离子电导率；5）72小时耐久性测试验证稳定性。

材料表征
XRD和FTIR证实MgAl-LDH成功合成，其(003)晶面衍射峰（11.46°）和层间CO₃^2?特征峰（1384 cm^?1）显示典型水滑石结构。SEM显示LDH呈直径2-3 μm的球形组装体，由厚度约20 nm的纳米片构成，这种开放结构使OH^?电导率提升至0.028 S cm^?1。

膜性能优化
含0.9 wt% LDH的AEL展现最佳平衡：离子交换容量达1.31 meq·g^?1，吸水率控制在45.6%，抗拉强度比纯QCS膜提高137%。分子动力学模拟揭示LDH表面羟基与QCS链形成氢键网络，既增强机械强度又促进OH^?的Grotthuss机制传输。

BPM性能突破
LDH0.9%/HPAN膜在50 mA cm^?2电流密度下跨膜电压仅0.9 V，较未改性膜降低42%。原位Raman光谱检测到界面处增强的H₃O⁺信号，证实LDH通过金属-OH位点催化水分子解离。连续电渗析实验显示产酸效率达0.012 mol·m^?2·s^?1，且性能衰减率<5%。

该研究通过生物基材料与纳米结构的协同设计，实现了BPMs"离子传导-机械强度-催化活性"的三重优化。其意义在于：1）开创了LDH三维形貌调控提升AEL性能的新思路；2）避免了传统工艺的致癌风险；3）为电驱动膜技术在废水处理、盐湖提锂等场景的应用提供了更经济的解决方案。论文发表于《Desalination》，为绿色膜材料开发树立了标杆。