中科院山西煤化所李南文研究員團隊最新Nature Energy:一種基于高穩定性聚（羥吲哚聯苯）離子溶劑膜實現的寬溫域水電解技術

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第一作者：胡旭

通訊作者：李南文 耿康

通訊單位：中國科學院山西煤炭化學研究所

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

一、?【導讀】 ?

水電解技術因其可以利用可再生能源獲得的電能將水分解為高純度的氫氣和氧氣而備受關注。聚合物電解質膜（如質子交換膜（PEM）和陰離子交換膜（AEM））水電解技術已被開發代替傳統的堿水電解（AWE）。致密PEM或AEM顯示出優異的氣體阻隔能力。基于此，使用致密膜可以設計出一種緊湊的水電解槽，該設備在高壓差下具有耐用/耐腐蝕的結構特性，并具有快速的瞬態響應時間，可適應風能和太陽能等可再生能源的波動。PEM電解槽由于使用了高負載量的鉑和銥催化劑（IrO₂）以及貴金屬涂層的鈦多孔傳輸層和雙極板，它們具有高成本的缺點。相反，基于具有固定陽離子基AEM的電解槽顯示出低成本無PGM催化劑以及低氣體滲透的優點；然而，在電化學環境中，由于固定陽離子基團易發生不可逆的化學降解，導致AEM電解槽在高于60?°C的壽命不足，尋找一種在高溫（≥80°C）下具有高堿性和器件穩定性，并具有良好的離子傳導性的聚合物電解質膜，以彌補這些水電解技術中的仍然是AWE應用的關鍵挑戰。

二、【成果掠影】

為了解決這個問題，中科院山西煤化所李南文研究員團隊提出了一種基于高穩定性羥吲哚/KOH移動離子對的聚（羥吲哚聯苯）離子溶劑膜（POBP-ISM）。這種ISM可以通過穩定的羥吲哚/KOH復合離子對傳導陰離子，并使用純泡沫鎳和Ni/Fe非貴金屬催化劑實現水電解技術：在-35至120 °C的寬溫度范圍內具有長期耐用性，氣體滲透性極低，瞬態響應時間（<1 s）。避免了傳統AWE、PEM和AEM水電解的限制，從而能夠在現有電解技術無法達到的拓寬范圍操作條件下進行長期運行操作。該成果以題為“An operationally broadened alkaline water electrolyser enabled by highly stable poly(oxindole biphenylene) ion-solvating membranes”發表在最新一期《Nature Energy》。

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?四、【數據概覽】

圖1 ?DFT 計算和小分子模型化合物堿穩定性測試?2024 Springer Nature Limited

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圖2??POBP-ISMs的制備和基本物化性能表征?2024 Springer Nature Limited

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圖3??POBP-ISMs的離子電導率和穩定性表征?2024 Springer Nature Limited

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圖4??基于POBP-ISMs的水電解性能表征?2024 Springer Nature Limited

圖5??POBP-ISMs的原位穩定性以及與文獻對比?2024 Springer Nature Limited

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【成果啟示】?

作者首先采用DFT和小分子模型化實驗證實了去質子化羥吲哚陰離子的高耐堿穩定性，并采用超酸聚合技術合成POBP-ISM，其在80?°C，8?M KOH，15000小時的嚴苛條件下電導率和結構恒定，顯示優異耐堿穩定性。不含芳基醚的聚合物骨架POBP膜較低的吸水率進一步導致在Fenton試劑中具有優異的抗氧化穩定性（1000小時）。采用泡沫鎳電極的POBP-ISM AWE在寬的工作溫度窗口（-35~120?°C）內成功應用，即使在-35?°C的低溫下也能快速啟動（<?1?s）。當陽極中使用Ni/Fe催化劑時，POBP-ISM AWE實現了在1.9?V下具有2.0?A/cm²的高性能，媲美PEM水電解技術。本文提出的POBP-ISM AWE在寬溫度范圍內的這種操作靈活性、低成本、快速瞬態響應時間和優異耐久性可以簡化和降低用于綠色氫氣生產應用的電解槽系統的成本。未來，要發展超過120?℃的高溫水電電解技術，發掘更耐高溫的聚合物骨架仍然是未來離子溶劑膜發展的主要挑戰。

原文詳情：Hu, X., Hu, B., Niu, C.?et al.?An operationally broadened alkaline water electrolyser enabled by highly stable poly(oxindole biphenylene) ion-solvating membranes.?Nat Energy?(2024). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01447-w

本文由徐艾豆供稿。