氢键增强型阴离子交换膜实现高性能碱性水电解

本研究针对阴离子交换膜（AEMs）在碱性水电解中面临的氢氧根离子（OH?）传导率低和化学稳定性差的问题，提出了一种结合前沿分子轨道工程与氢键网络构建的创新策略。通过密度泛函理论（DFT）计算筛选出具有高LUMO和低HOMO能级的苯并噻唑（BT）单元，并成功制备聚(三联苯-苯并噻唑-哌啶鎓)膜（P-B-x）。该膜通过BT氮/硫双氢键受体构建连续Grotthuss机制传导网络，使P-B-15膜在80°C下实现168.7 mS cm?1的高OH?电导率，在1.0 A cm?2条件下稳定运行500小时（电压衰减仅32 μV h?1），为新一代AEMs开发提供新范式。

　　

阴离子交换膜（Anion Exchange Membranes, AEMs）是碱性水电解技术的核心材料，但其发展长期受限于氢氧根离子（OH^?）传导率不足与化学稳定性差的瓶颈。本研究创新性地融合分子轨道工程与氢键网络构建策略，首次引入HOMO能级作为膜骨架抗氧化性描述符，LUMO能级作为阳离子基团耐碱稳定性评价指标。密度泛函理论（DFT）计算表明，苯并噻唑（Benzothiazole, BT）单元同时具备高LUMO能与低HOMO能级特性，预示优异稳定性。将其嵌入聚(三联苯-苯并噻唑-哌啶鎓)（P-B-x）膜体系后，BT中的氮、硫杂原子作为双氢键受体，构筑了增强型连续氢键网络，显著促进OH^?通过Grotthuss机制传输。优化后的P-B-15膜在中等离子交换容量下，于80°C实现168.7 ± 1.0 mS cm^?1的超高OH^?电导率，并在1.0 m KOH电解液中以1.0 A cm^?2电流密度持续运行500小时，电压衰减速率低至32 μV h^?1。该工作为开发高传导、高稳定性的下一代AEMs提供了理论指导与材料设计范例。