季铵基高耐久性聚合物膜与离聚物协同提升零间隙电解槽CO2还原效率与稳定性研究

本研究发现季铵苯基（QBA）膜与离聚物在零间隙电解槽中通过协同作用显著提升CO2还原反应（CO2RR）性能。QBA膜具备高阴离子电导率、低溶胀性和化学机械稳定性，离聚物则构建疏水多孔催化剂层增强传质并抑制析氢反应（HER），最终实现宽电压范围内90–96%的CO法拉第效率（FECO）及350小时长期稳定运行，为高效碳转化技术提供新策略。

　　

Highlight

AEMs表征

我们制备了50 μm厚度的阴离子导电QBA膜（QBA-50），并通过与三种商用AEM（FAA-3-50、Sust.X37-50 GT和PiperION-40）对比评估其CO₂RR性能。QBA是一种由含六氟基团的疏水性聚芳醚酮嵌段与亲水性聚亚苯基片段组成的嵌段共聚物（图1a）。通过¹H-NMR分析证实了QBA聚合物的成功合成，其离子交换容量（IEC）与理论值高度吻合。

QBA膜展现出卓越的氢氧根电导率（343 K时达127.6 mS cm^-1），显著高于对比膜（如FAA-3-50仅为65.2 mS cm^-1）。其低吸水率（WU, 22.2%）和溶胀率（SR, 4.7%）有效抑制了膜过度润湿导致的性能衰减，而高机械强度（断裂应力38.2 MPa）确保了长期运行稳定性。通过小角X射线散射（SAXS）分析发现，QBA膜具有清晰的相分离结构，形成连续离子通道，从而提升离子传输效率。

催化剂层结构与性能

QBA离聚物在催化剂层中构建了疏水多孔结构，不仅增强了CO₂传质效率，还有效抑制了竞争性析氢反应（HER）。与亲水性的FAA离聚物相比，QBA形成的电极界面更利于气相反应物扩散，且对湿度变化敏感性低，适应多变操作环境。

CO₂RR电解性能

采用QBA膜与离聚物的MEA在343 K、1.8–2.5 V宽电压范围内实现90–96%的CO法拉第效率（FE_CO），CO分电流密度（j_CO）在2.5 V时高达251.53 mA cm^-2。长期测试中，体系在200 mA cm^-2下稳定运行350小时（FE_CO >80%），后续150小时仍保持70%以上效率，电池电压稳定于2.43 V，显著优于商用膜材料。

结论

我们提出了一种通过理性设计AEM与AEI增强零间隙电解槽中CO₂RR至CO性能的策略。QBA膜与离聚物的协同效应源于其高离子电导率、低吸水率和机械化学稳定性。嵌段共聚物结构形成有序传输通道，提升水利用率并抑制盐沉淀，为高性能碳转化系统提供新方向。