氢键作用与配位协同效应共同作用，造就了具有超亲水性的膜材料，从而实现了高性能的碱性水电解过程

《Journal of Energy Chemistry》：Hydrogen bonding and coordination synergy enabling superhydrophilic membranes for high-performance alkaline water electrolysis

基于氢键协同配位策略的非溶剂诱导相分离制备了分级多孔复合膜，显著提升碱性水电解中离子导电性（低至0.12Ω cm2）和气体阻隔性（气泡点压力达4.27 bar），同时实现38.77 MPa的高机械强度和300小时超长耐高温碱性环境稳定性。

　　在当前全球气候变暖日益加剧、化石能源资源逐渐枯竭的背景下，实现碳中和已成为全球能源战略的核心目标。在此背景下，氢能因其清洁性、高效性和资源丰富性，被视为未来能源体系中的关键组成部分。氢能的生产技术多种多样，其中水电解技术被认为是生产绿色氢能的重要途径，因为它可以与可再生能源相结合，并且具有固有的零排放优势。目前，水电解技术主要分为碱性水电解（AWE）、质子交换膜水电解（PEMWE）以及阴离子交换膜水电解（AEMWE）三种类型。在这三种技术中，碱性水电解因其成本效益高、技术成熟且运行稳定性强，被公认为最具工业应用前景的方法。

然而，尽管碱性水电解技术在工业应用方面表现出色，它仍然面临一些挑战，例如较低的电流密度和较高的能耗，这些因素严重限制了其在高效氢能生产中的进一步发展。因此，提升电解效率、降低能耗已成为当前研究的重点。在水电解过程中，膜材料起着至关重要的作用，直接影响电解装置的性能。理想的膜材料应具备优异的离子导电性、出色的气体屏障性能以及良好的化学稳定性。具体而言，膜需要能够促进高效的氢氧根离子（OH?）传输，以减少欧姆电阻并提高电解效率，同时有效防止氢气和氧气的交叉渗透，以确保操作的安全性。因此，选择合适的膜材料并进行精确的结构设计，对于提升碱性水电解技术的整体性能至关重要。

在早期的碱性水电解系统中，石棉隔膜被广泛使用，但由于其致癌性，已被逐步淘汰。近年来，聚苯硫醚（PPS）膜因其出色的碱性耐受性和热稳定性，成为碱性水电解系统中的主要材料。然而，PPS本身具有疏水性，导致较高的面积电阻和有限的气体屏障能力，这在一定程度上阻碍了其在高效氢能生产中的广泛应用。为了解决这些问题，研究者们越来越多地关注新型复合膜材料的开发，这些材料旨在同时提升离子导电性和气体屏障性能，而不影响膜的耐久性。目前，已有多种策略被用于改善膜的性能，例如将有机聚合物与无机亲水性纳米颗粒进行共混。例如，聚砜（PSU）因其优异的机械性能和化学稳定性而被广泛应用于碱性电解膜中；然而，其固有的疏水性导致面积电阻较高（约为5 Ω cm2），从而降低了电解效率。为增强亲水性和离子导电性，研究人员通过磺化或季铵化对PSU进行化学改性，并同时引入亲水性聚合物如纤维素和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）。

此外，嵌入纳米金属氧化物，如二氧化锆（ZrO?）、二氧化钛（TiO?）、二氧化铈（CeO?）和氧化铝（Al?O?），也显著提高了膜的亲水性和降低了面积电阻。例如，Yu等人开发了一种壳聚糖-二氧化锆复合膜（CS?Z??），在30 wt%的氢氧化钾（KOH）电解液中，该膜的面积电阻低至0.21 Ω cm2，并且在1.83 V的电压下，实现了650 mA cm?2的高电流密度。同样，Lee等人报道了基于PSU的复合膜，其中含有75 wt%的二氧化锆，表现出优异的气体屏障和电化学性能。这些研究清楚地表明，通过合理的材料选择和有针对性的改性，可以显著改善膜的整体性能。然而，尽管近年来取得了诸多进展，如何同时实现高离子导电性、结构稳定性、机械强度和长期耐久性，仍然是当前研究的核心难题。

为了解决这一问题，本研究提出了一种创新的复合膜改性方法，旨在进一步提升膜的整体性能。该工作基于一种协同的结构工程机制，采用聚苯硫醚（PPS）作为支撑层，并利用非溶剂诱导相分离（NIPS）工艺，引入聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和单宁酸（TA），以实现原位构建氢键-配位网络。在水凝固浴中，PVP和TA形成稳定的氢键结构，有效调控相分离行为，并诱导形成由手指状和海绵状孔隙组成的分级孔结构。这种结构不仅提高了氢氧根离子的传输效率，还显著增强了气体屏障性能。同时，TA与二氧化锆颗粒之间的配位作用，形成了有机-无机微互锁框架，进一步提高了膜的结构稳定性和界面连续性。最终制备的复合膜表现出优异的亲水性和离子导电性，为碱性水电解提供了一种高效且耐用的膜材料。此外，本研究还提供了一种可行的结构优化设计思路，用于开发高性能的碱性水电解膜。

在实验材料的选择方面，本研究使用的所有化学品均为分析级，未经额外纯化即用于实验。聚醚砜（PES）来自德国BASF公司。二氧化锆纳米颗粒（ZrO?，纯度为99.99%，平均粒径约为100 nm）和PVP来自上海麦克林生化科技有限公司。氢氧化钾（KOH）和二甲基乙酰胺（DMAc）来自天津科密化学试剂有限公司。PPS网布则由沧州公远新材料有限公司提供。这些材料的组合为本研究的实验提供了良好的基础。

在实验方法方面，本研究采用了多种技术手段来评估膜的性能。其中，为了研究膜表面的化学结构和反应机制，使用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术。如图2(a)所示，在PES-PVP和PTPX膜中，相较于原始的PES膜，在3150–3750 cm?1的波长范围内出现了新的吸收峰，这些峰被归因于由TA产生的羟基（–OH）基团或与PVP链段结合的水分子。这些特征峰在单独的光谱中也清晰可见，表明膜的表面化学结构发生了显著变化，形成了新的氢键网络。

在实验过程中，为了验证膜的性能，还进行了多种测试。其中，为了评估膜的电流密度和电解效率，进行了碱性水电解实验。在实验中，膜被放置在电解池中，并在一定条件下进行测试。测试结果表明，优化后的PTP3复合膜表现出优异的综合性能，包括高拉伸强度（38.77 MPa）、较高的泡点压力（4.27 bar）以及较低的面积电阻（0.12 Ω cm2），在2 V的电压下，实现了779 mA cm?2的电流密度。此外，膜在高温、强碱性环境中连续运行300小时后，仍能保持良好的结构完整性和性能稳定性，几乎没有任何降解现象。这些实验结果进一步验证了该复合膜在实际应用中的可行性。

本研究的创新点在于提出了基于协同氢键和配位作用的新型膜结构设计策略。通过将PVP和TA引入到PPS支撑层中，并利用非溶剂诱导相分离（NIPS）工艺，实现了膜的结构调控和性能提升。这种设计不仅提高了膜的亲水性和离子导电性，还显著增强了气体屏障性能和结构稳定性。在实际应用中，这种复合膜可以有效提升氢气的生产效率，并为大规模碱性水电解的应用提供坚实的基础。

本研究还提供了关于膜结构优化的设计思路，这些思路对于未来高性能碱性水电解膜的开发具有重要的指导意义。通过合理的材料选择和结构设计，可以实现膜的多功能性和高效性，从而满足绿色氢能生产的需求。此外，本研究还强调了在膜材料开发过程中，氢键和配位作用的重要性。这些作用不仅能够调控膜的结构，还能够提升膜的性能，使其在高温、强碱性等恶劣环境下保持良好的稳定性。

在实验设计方面，本研究采用了系统的方法，以确保实验结果的准确性和可重复性。首先，通过FTIR光谱分析膜的表面化学结构，确认了氢键和配位作用的存在。其次，通过测试膜的拉伸强度、泡点压力和面积电阻，评估了膜的综合性能。这些测试结果表明，优化后的PTP3复合膜在各项性能指标上均优于传统膜材料，能够满足碱性水电解技术对高性能膜材料的需求。此外，通过模拟实验和实际应用测试，验证了该复合膜在实际操作中的可行性，表明其在高温、强碱性环境中仍能保持良好的结构和性能。

本研究的成果不仅为碱性水电解技术提供了新的膜材料选择，还为未来高性能膜材料的开发提供了理论支持和实验依据。通过结合氢键和配位作用，可以实现膜的结构优化和性能提升，从而推动碱性水电解技术的进一步发展。此外，本研究还强调了在膜材料设计过程中，结构调控的重要性。通过合理的结构设计，可以提高膜的离子导电性、气体屏障性能和机械强度，使其在实际应用中表现出优异的性能。

在实际应用方面，本研究的成果具有重要的意义。通过开发高性能的碱性水电解膜，可以有效提升氢气的生产效率，并降低能耗，从而推动绿色氢能的发展。此外，这种复合膜材料的开发也为大规模碱性水电解的应用提供了可能。在当前全球能源转型的背景下，这种高性能膜材料的出现将有助于实现碳中和目标，并推动清洁能源的发展。因此，本研究的成果不仅在学术上具有重要意义，而且在工业应用上也具有广阔的前景。

综上所述，本研究通过引入氢键和配位作用，开发了一种新型的复合膜材料，该材料在碱性水电解过程中表现出优异的性能。这种膜材料不仅提高了氢氧根离子的传输效率，还增强了气体屏障性能和结构稳定性，为高效氢能生产提供了新的解决方案。通过系统的实验设计和测试，本研究验证了该复合膜材料在实际应用中的可行性，并为未来高性能膜材料的开发提供了理论支持和实验依据。这些成果将有助于推动碱性水电解技术的进一步发展，并为实现碳中和目标做出贡献。