多阳离子-偶极协同调控阴离子交换膜实现高效稳定电解水制氢

针对阴离子交换膜(AEM)在电解水制氢(AEMWE)中导电性与稳定性难以兼顾的难题，研究人员通过多阳离子-偶极协同策略设计聚二苯基咔唑基AEM。所获QPDPC-O-20膜在80℃展现154.6 mS cm?1高电导率，2000小时碱液中保持98.3%电导保留率，AEMWE测试实现4.2 A cm?2@2V的高效产氢，为清洁能源转换提供新材料解决方案。

　　

在全球能源转型的背景下，绿色氢能作为实现碳中和的关键载体备受关注。然而当前95%以上的氢气仍通过化石燃料重整制备，伴随大量CO₂排放。阴离子交换膜电解水技术(AEMWE)结合了传统碱液电解与质子交换膜电解的优势，既能使用非贵金属催化剂又可实现紧凑设计，但其核心组件阴离子交换膜(AEM)长期面临导电性-稳定性难以协同提升的瓶颈问题。传统提高离子交换容量(IEC)的方法虽能增强电导率，却会导致膜溶胀加剧和机械性能劣化，严重制约AEMWE的商业化进程。

中国科学院长春应用化学研究所的研究团队创新性地提出多阳离子-偶极协同调控策略，通过精确调控烷氧基咔唑单体含量，成功制备出系列聚二苯基咔唑(QPDPC)基AEM。该研究采用超酸催化Friedel-Crafts烷基化反应合成聚合物，通过凝胶渗透色谱(GPC)测定分子量，利用小角X射线散射(SAXS)分析微观结构，并系统测试了膜的离子电导率、溶胀率和机械性能。在1 M KOH溶液中进行了2000小时加速老化实验，采用核磁共振(NMR)跟踪结构变化，最后组装膜电极组件(MEA)评估AEMWE性能。

【材料合成与表征】通过调控烷氧基咔唑(O-Cz)与烷基咔唑(C-Cz)单体比例，成功构建具有不同阳离子-偶极相互作用强度的QPDPC-O-x系列聚合物。分子量测试显示数均分子量(M_n)达5.8×10⁴ g mol^?1，保证成膜性能。

【微观结构调控】SAXS分析证实烷氧基引入诱导形成5.2 nm特征尺寸的微相分离结构，这种有序离子通道使QPDPC-O-20膜在80℃实现154.6 mS cm^?1的氢氧根电导率，同时溶胀率控制在15.6%。

【机械性能】得益于3,6-二苯基咔唑的刚性平面结构，QPDPC-O-20膜拉伸强度达30.2 MPa，远超商业FAA-3-50膜(18.6 MPa)。

【碱性稳定性】2000小时1 M KOH浸泡后，QPDPC-O-20膜仍保持98.3%电导率和88.7%机械强度，¹H NMR显示阳离子基团保留率超95%，证实多阳离子-偶极协同作用有效抑制霍夫曼消除反应。

【电解性能】采用IrO₂//Pt/C催化剂组装的AEMWE单池，在2V电压下获得4.2 A cm^?2的高电流密度。持续运行1300小时后，在0.5和1 A cm^?2条件下的电压衰减率仅26 μV h^?1，显著优于对照样品。

该研究通过分子设计实现了AEM材料导电性、机械强度和化学稳定性的协同提升，其创新性体现在三个方面：首先，刚性醚-free主链与多阳离子侧链的组合突破传统AEM的"高导电-低稳定"矛盾；其次，烷氧基诱导的微相分离结构为离子传输提供有序通道；最后，阳离子-偶极协同作用为碱性环境下阳离子降解提供双重保护机制。研究成果发表于《Journal of Membrane Science》，为AEMWE技术从实验室走向产业化提供了关键材料支撑，对推动氢能经济发展具有重要意义。