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-凯发k8ag旗舰厅

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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。