通过内置的钙钛矿增强网络来调节内部应变和氧活性，以实现稳定的富镍正极

《Journal of Energy Chemistry》：Regulating internal strain and oxygen activity via built-in perovskite strengthening network for stable Ni-rich cathodes

高效碱性水电解复合膜开发及协同作用机制研究。

　　在当前全球能源转型的背景下，氢能源因其清洁、高效以及资源丰富等优势，正逐渐成为实现碳中和目标的重要组成部分。水电解制氢作为获取绿色氢气的关键技术之一，具有与可再生能源系统高度兼容的特点，同时具备零排放的环保优势。在这一过程中，碱性水电解（AWE）因其成本低廉、技术成熟和运行稳定，成为工业应用中最具潜力的方法之一。然而，AWE技术仍然面临诸多挑战，如电流密度偏低、能耗较高，这些问题严重制约了其在高效制氢领域的进一步发展。因此，提升电解性能、降低能耗成为当前研究的重点。

作为AWE系统的核心组件，膜材料在决定电解效率和系统安全性方面起着至关重要的作用。理想的膜应具备高离子导电性、优异的气体阻隔性能以及良好的化学稳定性。具体而言，膜需要能够高效传输氢氧根离子（OH?），以减少欧姆电阻，提高电解效率；同时，膜还必须有效防止氢气与氧气的交叉渗透，以确保系统的安全运行。因此，膜材料的选择与结构设计必须兼顾这些性能指标，同时保证其在长期运行中的结构稳定性和耐久性。

传统的AWE膜材料如石棉隔膜曾广泛应用于工业领域，但由于其潜在的致癌风险，已被逐步淘汰。近年来，聚苯硫醚（PPS）因其出色的耐碱性和热稳定性，成为AWE膜材料的首选。然而，PPS本身具有疏水性，这不仅增加了膜的面积电阻，还限制了其气体阻隔能力，进而影响了电解效率和系统安全性。为解决这些问题，研究者们开始探索新型复合膜材料，旨在通过材料的优化与结构的改进，同时提升离子导电性和气体阻隔性能，同时不损害膜的耐用性。

在众多改进策略中，将有机聚合物与无机亲水性纳米颗粒结合，被认为是一种有效的方法。例如，聚醚砜（PES）因其良好的机械性能和化学稳定性被广泛应用于碱性电解膜中，但其固有的疏水性导致较高的面积电阻，降低了电解效率。为此，研究人员通过化学改性（如磺化或季铵化）和添加亲水性聚合物（如纤维素和聚乙烯吡咯烷酮，PVP）来改善PES膜的亲水性和离子导电性。此外，引入纳米金属氧化物，如二氧化锆（ZrO?）、二氧化钛（TiO?）、氧化铈（CeO?）和氧化铝（Al?O?），也被证明能够显著提升膜的亲水性并降低其面积电阻。例如，Yu等人开发的壳聚糖-二氧化锆复合膜（CS?Z??）在30 wt% KOH电解液中表现出较低的面积电阻（0.21 Ω cm2）和较高的电流密度（650 mA cm?2），而Lee等人报道的以PES为基材、含75 wt% ZrO?的复合膜则在气体阻隔性和电化学性能方面表现出色。这些研究表明，通过合理的材料选择和结构设计，可以有效提升膜的综合性能。

本研究提出了一种创新的复合膜改性策略，旨在进一步优化AWE膜的性能。该策略基于氢键协同与配位作用的结构调控机制，通过非溶剂诱导相分离（NIPS）工艺，在聚苯硫醚（PPS）基材上构建了具有协同分布的指状和海绵状孔结构的超级亲水复合膜。在水凝固浴中，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）与单宁酸（TA）形成了稳定的氢键网络，有效调控了相分离行为，并诱导了具有层次结构的多孔体系的形成。这种结构不仅提高了氢氧根离子的传输效率，还显著增强了膜的气体阻隔能力。与此同时，TA与ZrO?纳米颗粒之间的配位作用构建了有机-无机微互锁结构，进一步提升了膜的结构稳定性和界面连续性。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），从而实现了在2 V电压下高达779 mA cm?2的电流密度。此外，该膜在高温、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，几乎无性能衰减。

本研究的创新之处在于，首次将氢键与配位作用相结合，用于调控复合膜的结构与性能。这种协同作用不仅提升了膜的离子导电性，还显著改善了其气体阻隔能力，同时增强了膜的机械强度和化学稳定性。通过这种策略，研究团队成功制备了一种兼具高效离子传输和优异气体阻隔性的复合膜材料，为碱性水电解技术的进一步发展提供了新的思路。

氢键协同与配位作用的结合为复合膜材料的设计带来了全新的视角。氢键作为一种非共价键，能够有效调控分子间的相互作用，从而影响膜的微观结构和宏观性能。而配位作用则通过金属离子与有机配体之间的相互吸引，形成稳定的有机-无机界面。这两种作用机制的协同效应，使得膜材料在相分离过程中能够形成独特的层次结构，这种结构在提升离子传输效率的同时，也增强了膜的气体阻隔能力。此外，氢键网络的构建还能够提高膜的亲水性，从而降低其面积电阻，进一步提升电解效率。

在本研究中，PVP和TA在水凝固浴中形成的氢键网络，不仅起到了调控相分离行为的作用，还为膜的结构优化提供了关键支持。PVP是一种具有较强亲水性的聚合物，而TA则是一种富含酚羟基的天然有机酸，两者在水溶液中能够形成稳定的氢键网络。这种网络在相分离过程中起到了“模板”作用，引导形成具有层次结构的多孔体系。其中，指状孔和海绵状孔的共存，使得膜在离子传输和气体阻隔之间实现了良好的平衡。指状孔有助于氢氧根离子的快速传输，而海绵状孔则能有效阻挡气体的交叉渗透，从而提升膜的综合性能。

与此同时，TA与ZrO?纳米颗粒之间的配位作用，为膜的结构稳定性和界面连续性提供了额外的支持。ZrO?作为一种无机纳米颗粒，具有良好的热稳定性和化学稳定性，能够有效增强膜的机械强度。而TA则通过其丰富的官能团，如羟基、羧基和酚羟基，与ZrO?纳米颗粒形成稳定的配位键，从而构建有机-无机微互锁结构。这种结构不仅增强了膜的结构稳定性，还提高了其界面的连续性，使得离子在膜中的传输路径更加顺畅，进一步降低了欧姆电阻。

通过这种协同作用机制，本研究成功制备了一种具有优异性能的复合膜材料。该膜在高电流密度和低电压条件下表现出卓越的电解性能，同时在高温、强碱性环境中保持了良好的结构稳定性和性能耐久性。这一成果不仅为AWE技术的发展提供了新的材料选择，也为实现高效、可持续的氢能源生产奠定了坚实的基础。

此外，本研究提出的结构调控策略具有广泛的应用前景。通过调控氢键和配位作用的协同效应，可以进一步优化膜的微观结构，从而提升其离子导电性、气体阻隔性和机械强度。这种策略不仅可以应用于AWE膜的开发，还可能拓展至其他膜分离技术领域，如气体分离、水处理和电池隔膜等。因此，本研究不仅在AWE技术中具有重要意义，也为其他膜材料的开发提供了新的思路。

从应用角度来看，本研究开发的复合膜材料有望在未来的氢能源产业中发挥重要作用。随着全球对绿色能源的需求不断增长，AWE技术的应用范围也在不断扩大。然而，当前AWE技术在实际应用中仍面临诸多挑战，如高能耗、低效率和膜材料的性能局限性。本研究提出的复合膜材料，不仅解决了传统膜材料的疏水性问题，还通过结构优化实现了性能的全面提升，为实现高效、低成本的碱性水电解技术提供了有力支持。

在实际应用中，这种复合膜材料的高拉伸强度和较高的泡点压力，使其能够承受高强度的运行环境，从而延长膜的使用寿命。而其较低的面积电阻，则有助于降低电解过程中的能量消耗，提高系统的整体效率。这些特性使得该膜材料在工业规模的碱性水电解系统中具有显著优势，有望推动氢能源的商业化进程。

本研究的成果还为未来膜材料的开发提供了理论依据和技术支持。通过深入研究氢键协同与配位作用的机制，研究团队不仅揭示了复合膜结构优化的关键因素，还为设计具有更高性能的膜材料提供了可行的路径。未来，进一步优化氢键和配位作用的协同效应，可能实现更高效的离子传输和更优异的气体阻隔性能，从而推动氢能源技术的进一步发展。

综上所述，本研究通过氢键协同与配位作用的结构调控策略，成功开发了一种具有优异性能的复合膜材料。该膜在离子导电性、气体阻隔性和机械强度等方面均表现出色，为实现高效、可持续的碱性水电解技术提供了新的解决方案。这一成果不仅具有重要的理论价值，也为实际应用中的氢能源生产提供了强有力的技术支持。未来，随着研究的深入和技术的不断进步，这种复合膜材料有望在氢能源产业中发挥更加重要的作用，推动绿色能源的发展进程。