用于高效酸碱两性水电解制氢

网易1月29日讯：相比于酸性或碱性水电解制氢，酸碱两性水电解制氢技术（AAA-WE）可在降低工作电压（理论电势差0.401 V）和能耗情况下制备绿氢，被认为是未来氢气制备的高效方法之一。然而，在该体系中需要一种特定的膜材料，将水分子电解得到的氢离子传输到阴极室进行析氢反应（HER），同时将氢氧根离子传递至阳极室进行析氧反应（OER），有效阻隔氢气和氧气，保持pH梯度，并防止跨膜交叉扩散与酸碱中和等问题。在两性水电解器件中，常用隔膜为双极膜，但其较高的界面电阻往往导致电解过程中过电位较高和能耗过大。

聚苯并咪唑（PBI）具有优异的热化学稳定性和力学性能，且由于其主链上的咪唑结构在不同pH环境中具有两性特征，可作为阴、阳离子固态聚电解质用于传导氢离子、氢氧根离子以及其他离子，现已应用于高温质子交换膜燃料电池、全钒液流电池与碱性水电解制氢等领域。然而，目前所报道的大多数PBI膜则是通过有机溶剂浇铸法形成的致密结构，这极大地局限了膜内离子溶剂持液量与传导性能。近年来，研究学者们利用多聚磷酸（PPA）或者磷酸（PA）作为溶剂制备了具有松散堆积聚合物链段的凝胶态PBI膜，以提高吸收能力和离子传导率。然而，其较低的酸/碱阻隔性能与机械性能制约了凝胶态PBI膜在AAA-WE中使用的可行性与耐久性。因此，亟需探索更为高效的隔膜材料，兼顾高制氢性能（即高离子传导性）与长期稳定性（即低的跨膜交叉扩散和优良的机械性能）。

针对上述关键问题，本篇工作探讨了一种构筑各向异性离子溶剂化膜的新方法，具体创新策略与思路包括：1）利用PPA溶胶-凝胶工艺制备具有多孔层状结构的PBI-Gel膜，以提高酸碱吸收能力和离子迁移能力；2）采用二维极化/一维收缩工艺，使PBI分子链在纳米片层中紧密堆积，从而缓解氢离子与氢氧根离子之间的跨膜交叉扩散现象；3）形成具有各向异性的PBI-aNS薄膜材料，为未来两性电解水制氢技术的进一步发展提供科学指导。

浙江工业大学的黄菲教授与温州大学的薛立新研究员，通过二维极化/一维收缩工艺制备了各向异性聚苯并咪唑离子溶剂化膜（ISM）。该膜是由数百片约28 nm厚的纳米片有序定向地紧密堆叠而成，不仅具有优异的双离子传输特性（氢离子和氢氧根离子），还兼具良好的酸/碱阻隔能力和坚固的力学性能，有望成为新一代酸碱两性水电解制氢装置系统所用的高性能隔膜，提高绿氢制备效率。相关研究成果以题为“Anisotropic Polybenzimidazole Ion-Solvating Membranes Composed of Aligned Nano-Sheets for Efficient Acid-Alkaline Amphoteric Water Electrolysis”发表在《Advanced Energy Materials》，第一作者为浙江工业大学膜分离与水科学技术研究院黄泽权。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。

通过PPA溶胶-凝胶工艺与二维极化/一维收缩工艺相结合的策略，制备出了各向异性的聚苯并咪唑离子溶剂化膜。这使得原本具有疏松多孔片层结构的凝胶态膜转变为由数百层定向排列的纳米片紧密堆叠成的PBI-aNS膜，且其厚度从234 μm显著减少到23 μm。（本刊有删节）详情见高分子科学前沿公众号

图1.各向异性聚苯并咪唑离子溶剂化膜制备流程图。