李南文研究员团队Nature Energy：一种基于高稳定性聚（羟吲哚联苯）离子溶剂膜实现的宽温域先进水电解技术|南屋科技能源学人平台 -

【研究背景】

聚合物电解质膜（如质子交换膜（PEM）和阴离子交换膜（AEM））水电解技术已被开发代替传统的碱水电解（AWE）。致密PEM或AEM显示出优异的气体阻隔能力。PEM电解槽由于使用了高负载量的铂和铱催化剂（IrO₂）以及贵金属涂层的钛多孔传输层和双极板，具有高昂的成本。基于具有固定阳离子基AEM的电解槽显示出低成本无PGM催化剂以及低气体渗透的优点；然而，在电化学环境中，由于阳离子基团易发生不可逆的化学降解，AEM电解槽在高于60 °C环境中寿命不足。离子溶剂膜（ISM）作为一种新的选择，结构中不含固定离子基团的ISM具有比AEM更久的稳定性，但是其目前稳定性仍旧难以满足电解水中高温、高压和高pH的环境。寻找一种在高温下具有高耐碱稳定性，并具有良好的离子传导性的聚合物电解质膜，以弥补这些水电解技术中的不足仍然是离子交换膜材料应用的关键挑战。

【工作简介】

中科院山西煤化所李南文研究员课题组提出了一种基于高稳定性羟吲哚/KOH移动离子对的聚（羟吲哚联苯）离子溶剂膜（POBP-ISM）。这种ISM可以通过高稳定的羟吲哚/KOH复合离子对传导阴离子，并使用纯泡沫镍和Ni/Fe非贵金属催化剂实现水电解技术：在-35至120 °C的宽温度范围内具有长期耐用性，气体渗透性极低，瞬态响应时间（<1 s）。克服了传统AWE、PEM和AEM水电解的限制，从而能够在现有电解技术无法达到的拓宽范围操作条件下进行长期运行操作。该成果以“An operationally broadened alkaline water electrolyser enabled by highly stable poly(oxindole biphenylene) ion-solvating membranes”为题发表在Nature Energy上。胡旭为本文第一作者。

【核心内容】

图1 （a）DFT 计算LUMO、HOMO能值和（b）小分子模型化合物碱稳定性测试。

图2 POBP-ISMs的（a）合成、（b）制备和（c-e）基本物化性能表征。

图3 POBP-ISMs（a）离子电导率和（b-d）多种条件下的化学稳定性。

图4 基于POBP-ISMs的水电解性能表征（a）相比商业的水电解性能对比，（b）POBP ISM在不同非贵金属阳极水电槽的初始性能，（c）相比商业的面电阻对比，（d）−35至120°C的操作温度、6至10 M的电解质浓度和0至5 bar的压力下POBP ISMs的电解水性能。

图5 （a）POBP-ISMs的原位稳定性以及（b）与文献对比。

【结论】

作者利用DFT和小分子模型化实验筛选出羟吲哚阴离子具有高耐碱稳定性，接着采用超酸聚合和酸碱反应制备出POBP-ISM。其在80 °C，8 M KOH中显示出高达15000小时的优异耐碱稳定性。不含芳基醚的聚合物骨架POBP膜较低的吸水率进一步在芬顿实验中展示优异的抗氧化稳定性（1000小时）。采用泡沫镍电极的POBP-ISM AWE在宽的工作温度窗口（-35~120 °C）内成功应用，弥补了PEM和AEM技术不足，即使在-35 °C的低温下也能快速启动，弥补了AWE的不足。当阳极中使用Ni/Fe催化剂时，POBP-ISM AWE实现了在1.9 V下具有2.0 A/cm²的高性能，媲美PEM水电解技术。综上，本文提出的POBP-ISM AWE在宽温度范围内的这种操作灵活性、低成本、快速瞬态响应时间和优异耐久性可以简化和降低用于绿色氢气生产应用的电解槽系统的成本。

Hu, X., Hu, B., Niu, C., Yao, J., Liu, M., Tao, H., Huang, Y., Kang, S., Geng, K., & Li, N. An operationally broadened alkaline water electrolyser enabled by highly stable poly(oxindole biphenylene) ion-solvating membranes. Nature Energy, 2024.

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01447-w

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2024-01-19