离子聚合物分子量对阴离子交换膜性能的多维度调控：水合行为、氢渗透率与化学稳定性的协同优化

本研究针对阴离子交换膜(AEM)化学稳定性不足的核心难题，通过调控聚芳醚酮骨架季铵盐型AEM的分子量(30-101 kDa)，系统考察了其对水吸收(23-24%)、氢渗透率(1.4-1.6×10-11 mol·s-1·Pa-1)、离子电导率(≈100 mS·cm-1)及霍夫曼降解的影响，发现高分子量(101 kDa)膜降解速率降低43%，为AEM电解槽(AEMEL)的工业应用提供了新策略。

　　

随着全球能源结构转型，氢能作为清洁能源载体备受关注。在电解水制氢技术中，阴离子交换膜电解槽(AEMEL)因其兼具质子交换膜电解槽(PEMEL)的高效性和碱性电解槽(AEL)的非贵金属催化剂优势，被视为最具发展潜力的技术路线。然而，阴离子交换膜(AEM)的化学稳定性问题始终是制约其大规模应用的"阿喀琉斯之踵"。特别是在强碱环境下，作为主流导电基团的季铵盐易通过霍夫曼消除反应(Hofmann elimination)发生降解——氢氧根离子攻击β位氢原子导致季铵氮脱落。虽然通过位阻保护、交联改性等手段可部分缓解该问题，但这些方法往往以牺牲离子电导率或加工性能为代价，凸显了AEM性能参数间的复杂博弈关系。

德国于利希研究中心的研究团队另辟蹊径，选择从聚合物科学的基础参数——分子量入手，设计了一组具有相同聚芳醚酮(PAEK)骨架和季铵基团、但分子量梯度变化(30-101 kDa)的AEM。通过系统研究分子量对膜材料水合行为、气体渗透性、导电性能和化学稳定性的影响，发现高分子量(101 kDa)膜在1 M KOH中降解速率比低分子量(30 kDa)膜降低43%，且不影响其他关键性能。该成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》，为AEM性能优化提供了新思路。

研究采用溶液浇铸法制备不同分子量(30/52/74/95/101 kDa)的PAEK基AEM，通过核磁共振和凝胶渗透色谱确认聚合物结构。采用重量法测定水吸收率，电化学阻抗谱测量离子电导率，气相色谱分析氢渗透率，并建立加速老化实验评估化学稳定性。

《Gravimetric water uptake, hydrogen permeability, and ionic conductivity》章节显示：所有分子量膜的水吸收率稳定在23-24%，氢渗透系数(1.4-1.6×10^-11 mol·s^-1·Pa^-1)和氢氧根电导率(≈100 mS·cm^-1)也无显著差异，证实分子量不影响这些参数。这修正了Gaitor等人关于分子量影响溶胀行为的推测，明确其差异实源于离子交换容量(IEC)变化。

《Conclusions》部分揭示核心发现：高分子量显著提升化学稳定性，101 kDa膜在3 M KOH中的离子交换容量(IEC)衰减速率较30 kDa膜降低43%，且该优势随碱浓度增加而放大。机理分析表明，高分子链的缠结效应限制了季铵基团运动，减缓了霍夫曼消除反应的动力学过程。

该研究首次系统论证分子量可作为独立变量优化AEM性能，突破传统"性能此消彼长"的困局。其重要意义在于：①为工业界提供无需改变化学结构的简易优化方案，现有AEM(如AEMION⁺?、Sustainion^?)通过合成工艺调整即可获得性能提升；②揭示高分子量抑制降解的物理限制机制，为新型稳定化策略提供理论依据；③确立分子量参数在AEM设计中的关键地位，推动材料开发从化学修饰向物理调控的多元发展。这些发现将加速AEMEL的商业化进程，助力可再生能源制氢技术的突破。