阴离子交换膜（AEM）：提高电流密度与稳定性的关键因素及材料研究进展

阴离子交换膜（AEM）：提高电流密度与稳定性的关键因素及材料研究进展

阴离子交换膜（AEM）：理想的AEM不仅应具有较高的氢氧离子电导率，还应具有良好的操作稳定性。AEM通常由含有阳离子基团和OH-的聚合物组成，主要作用是传导OH-和隔离膜两侧的气体，直接影响电解槽的效率和氢气产出的纯度。理论上，提高AEM电流密度的关键是提高理论OH-交换容量（IEC）。目前，线性无醚聚芳基哌啶已被证明是一种优异的耐碱性AEM材料，其中聚联苯吡啶（PBP）具有超高的理论IEC（3.55 mmol g-1），但由于其膨胀率高，尚未直接用作AEM。近年来，一些研究人员利用三苯甲烷（TPM）、三苯基苯（TPB）和三苯撑（TPC）交联PBP以优化其结构稳定性。例如，TPC交联的PBP可作为AEMWE的离子聚合物，表现出优异的性能。因此，克服PBP的溶胀问题，提高其离子电导率，对于PBP基AEM的真正长期使用具有重要意义。然而，传统的交联方法虽然可以解决溶胀问题，但也容易形成较致密的网络，从而牺牲离子电导率。因此，获得兼具高OH-电导率和高结构稳定性的高性能AEM仍然具有挑战性。

近日，清华大学王海晖教授和丁莉助理研究员在该期刊发表题为《水和阴离子》的文章，该工作通过交联三嗪构建刚性网络，并用吡啶限制网络密度，制备出具有高离子电导率和高尺寸稳定性的AEM，应用于非贵金属电解槽高效制氢。

在本研究中，我们将三嗪交联与吡啶封端（tPBPp-OH）相结合，开发出一种具有PBP网络的坚固AEM，可用于高级水电解应用（图1a）。与上述交联基团（TPM、TPB和TPC）相比，含有丰富氮原子的三嗪不仅可以提高AEM的亲水性，还可以通过氰尿酰氯与PBP中的氨基反应引入阳离子基团。交联位点的吡啶封端还可以防止致密网络的形成，提高AEM的离子交换容量。此外，三嗪交联可以有效抑制PBP的溶胀。因此，得到的tPBPp-0.6-OH AEM具有较低的溶胀率（19.2%）、优异的机械强度（79.4 MPa）和高的氢氧离子电导率（247.2 mS cm-1），优于迄今为止报道的最先进的AEM。 -OH AEM 在 1 M KOH 中可稳定长达 5,000 小时。更重要的是，在商用镍铁和镍钼催化剂条件下，基于 tPBPp-OH AEM 的电解槽可在 2 V 下实现 3 A cm-2 的电流密度，超过大多数已报道的 AEM。

图 1. tPBPp-OH AEM 的合成路线。

图2. tPBPp-OH AEM的特性和物理图像。

图 3. tPBPp-OH AEM 的物理特性。

图4.tPBPp-OH的性能。

三嗪交联和吡啶封端相结合可以提高AEM的稳定性和OH-电导率，提高其在使用非贵金属催化剂进行水电解时的性能。电解器性能的提高可以归因于以下特点：（1）“交联链段”可以防止主链之间的过度膨胀，（2）“吡啶封端链段”可以优化网络结构，提高OH-电导率。上述策略为设计用于高性能制氢电解器的AEM提供了参考。

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全文链接：

和水中的阴离子。