全球向可再生能源系统的转型促使人们致力于开发高效的技术以实现大规模的能量存储与传输[1]、[2]。尽管太阳能和风能正在全球范围内迅速推广，但它们的间歇性特性仍然限制了其直接应用。因此，氢能作为一种极具潜力的能量载体应运而生，它不仅可以储存多余的可再生能源电力，还能助力工业生产、交通运输以及发电领域的去碳化进程[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。
当以可再生能源电力为驱动时，水电解是一种无需碳排放的制氢方式。在现有的技术中，传统的碱性水电解技术由于能与地球上储量丰富的催化剂相兼容，且拥有成熟的系统基础设施，因此在工业领域仍占据主导地位[11]、[12]、[13]、[14]。不过，这种电解方式依赖于厚型的多孔隔膜，这类隔膜通常是以含有氧化锆的聚合物基质为基础，用于物理上分隔氢气和氧气[15]、[16]、[17]、[18]。虽然这类隔膜具有不错的化学稳定性，但其多孔结构带来了诸多固有缺陷，比如较高的欧姆电阻、在压力差作用下会有大量气体渗透，以及在高电流密度或高压环境下的使用受限。这些限制严重影响了电压效率，也阻碍了紧凑型无间隙电池设计的应用[19]、[20]、[21]。
为克服多孔隔膜的固有缺陷，人们开始探索致密聚合物隔膜作为碱性水电解的替代隔膜。与质子交换膜不同，这类隔膜需要在高浓度的碱性电解质环境中依然保持稳定运行，同时还要具备较低的电阻值和良好的气体分离能力[22]、[23]、[24]、[25]。阴离子交换膜也曾被研究过，但由于阳离子功能团在强碱性环境中的化学稳定性较差，这类膜的长期耐用性受到了限制[26]、[27]。而离子溶解膜则提供了一种截然不同的解决方案。这类膜无需依赖固定的离子基团，而是通过吸收电解质和水来传导氢氧根离子，从而兼具了碱性环境所需的化学稳定性以及抑制气体渗透所需的致密结构。正因如此，离子溶解膜逐渐被视为先进碱性水电解系统中替代传统多孔隔膜的有力候选者。
作为碱性水电解的致密隔膜，离子溶解膜无需使用固定的离子基团，而是通过吸收碱性电解质和水来传导氢氧根离子。这一工作原理不仅让这类膜在高浓度碱性环境中具备出色的化学稳定性，还因其致密的结构能够有效抑制气体渗透，因而使其成为替代传统多孔隔膜的理想选择[28]、[29]、[30]。不过，离子溶解膜中的离子传输实际上是由水合自由体积的范围和连续性决定的，而非离子交换位点的密度。像聚氧吲哚联苯这样具有刚性芳香结构的聚合物，由于其主链为芳基醚结构，因此具有优异的碱性稳定性，但过高的分子堆积程度会严重限制自由体积和电解质的吸收能力[31]。虽然增加自由体积有助于提升离子导电性，但过度松散的分子结构往往会影响材料的机械强度和气体阻隔性能。因此，离子溶解膜的设计面临着离子传输效率、机械强度以及抗气体渗透能力之间的权衡问题。
为解决这一矛盾，近年来人们提出了多种针对基于聚氧吲哚联苯的离子溶解膜的设计策略。其中一种方法是通过蒸汽诱导相分离技术来构建多孔结构，以此降低欧姆电阻[32]，但这种方法往往会因为增加了与反应物质的接触表面积，而导致气体阻隔性能和抗氧化稳定性下降。另一种方法是通过引入金属氧化物纳米颗粒（如ZrO2或CeO2）来实现无机杂化，从而提升材料的化学稳定性[33]。虽然这类异质填充剂能够有效清除自由基，但它们往往会打断聚合物链的连续性，进而导致材料的机械强度大幅下降，且在优化离子传输路径方面的作用也十分有限。在分子设计方面，有研究指出，像三苯基苯这样的庞大结构单元能够增加材料的自由体积分数[34]。
虽然增加整体体积有助于提升离子传输效率，但在平面结构中这往往会导致分子层状堆积，进而限制传输路径的效率[35]。在致密的离子溶解膜中，要实现最佳性能，不仅需要较高的自由体积分数，还需要具有良好连接的、水合区域构成的空间结构。在本研究中，我们提出了拓扑链结构设计理念，旨在突破致密隔膜设计中的各种限制。虽然螺二氟苯单元曾被用于其他类型的隔膜中以增加自由体积[36]，但其在离子溶解膜中的作用则完全不同。由于离子溶解膜中没有固定的电荷载体，螺二氟苯便起到了拓扑调控的作用，它通过控制分支密度来确保形成连续的水合网络。这样一来，设计重点就从简单的空间填充转变为精确的拓扑结构控制。
这种策略之所以有效，是因为螺碳结点具有独特的正交几何结构以及受限的旋转自由度。这些特性能够防止分子链过度堆积，同时便于分子链之间传递应力，从而形成稳定的三维结构[37]、[38]、[39]。我们通过设计一系列具有不同分支密度的聚异嗪联苯螺二氟苯离子溶解膜，证明了最佳的链结构能够最大程度提升氢氧根离子的传输效率，同时还能保持材料的机械强度并抑制气体渗透。由此制成的隔膜不仅具有较低的比电阻，而且在较薄的厚度下仍能保持较高的机械强度，这充分证明了通过对聚合物结构进行拓扑控制，有望在碱性水电解中实现传输性能与阻隔性能的分离优化。
