水电解作为一种工业制氢技术，提供了一种碳中和的氢气生产过程，能够与风能、太阳能等可再生能源无缝集成。在众多电解技术中，阴离子交换膜水电解（AEMWE）因其能够使用非贵金属催化剂、降低资本成本以及提供更好的气体阻隔性能而脱颖而出。然而，大多数阴离子交换膜（AEMs）的长期稳定性仍是一个重大挑战，这主要是因为它们依赖于固定的阳离子基团进行OH⁻离子传导，而这些基团在高碱性环境下容易发生降解。为了推进高性能和耐用的碱性电解槽，开发具有高碱性稳定性和强离子传导性的聚合物电解质膜至关重要。离子溶剂化膜 （ISM） 作为一种替代方法，为当前电解技术面临的局限性提供了潜在的解决方案。在各种ISMs中，以弱碱聚苯并咪唑（PBI）膜尤为引人注目，因为它们出色的化学稳定性和机械强度。传统上，基于 PBI 的膜是使用有机溶剂浇铸法制备的。然而，在铸造和溶剂蒸发过程中，由于强分子间相互作用（例如 π-π 堆叠和氢键），聚合物链往往会密集堆积，从而形成致密、无孔的结构。这种致密的结构严重限制了膜的自由体积，阻碍了离子化位点与碱性溶液之间的有效接触，最终导致 KOH 吸收降低和离子传导不足。

近日，新澳门六合彩资料 薛立新研究员与浙江工业大学黄菲教授合作团队在国际知名的期刊 Small上发表题为“Highly Efficient and Durable Water Electrolysis at High KOH Concentration Enabled by Cationic Group-Free Ion Solvating Membranes in Free-standing Gel Form”的研究论文。该工作提出了一类新型的独立式凝胶形式的无阳离子基团的离子溶剂化膜 （ISM-PBI-FG） 用于高效和耐用的碱性水电解。该膜以凝胶形态存在，通过溶胶-凝胶转变过程后经KOH吸收制备而成。与传统的 AEM 和PBI基 ISM 相比，ISM-PBI-FG 膜具有多孔的内部结构和致密的外表面，为碱性电解质的吸收提供了更大的体积，并为离子传输创造了纳米级通道。ISM-PBI-FG膜是由纠缠的聚苯并咪唑（PBI）纳米纤维组成的3D多孔微观结构，实现了89%的孔隙率，使其能够吸收极高的碱液（在6 M KOH中为346%）并展现出卓越的离子传导性（在80°C时为763 mS cm⁻¹）。这一概念的可行性通过 AWE 测试得到了验证，其中使用 NiFe/Raney Ni（不含 PGM）和 NiFe/Pt/C （PGM） 催化剂组合，在 2.0V 下电流密度分别达 2.2 A cm-² 和 5.5 A cm-²，实现了优异的水电解性能。本研究工作得到国家自然科学基金委基金项目（22209147）和中国工程院院士咨询项目（2022-DZ-08）的资助完成。

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Highly Efficient and Durable Water Electrolysis at High KOH Concentration Enabled by Cationic Group-Free Ion Solvating Membranes in Free-standing Gel Form

//doi.org/10.1002/smll.202408159

作者：薛立新课题组

审核：雷云祥