與堿性電解水制氫和質(zhì)子交換膜電解水制氫相比，具有零間隙結(jié)構(gòu)和低成本組件的陰離子交換膜電解水制氫（AEM-WE）已成為未來氫經(jīng)濟(jì)最有前途的技術(shù)之一。陰離子交換膜（AEM）是 AEM-WE 的重要組成部分，其良好的機(jī)械性能、低尺寸膨脹、高離子電導(dǎo)率和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，是AEM-WE迫切需要的。 近日，西湖大學(xué)人工光合作用與太陽能燃料中心孫立成院士團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種用于高性能電解水制氫的支化型聚芳基奎寧（PAQ-x）的穩(wěn)定陰離子交換膜（AEM），為AEM的創(chuàng)新開發(fā)提供更多可能性，并加速了陰離子交換膜水電解槽（AEM-WE）的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 該工作首先從研究最廣泛的聚芳基哌啶（PAP）模型分子降解機(jī)理進(jìn)行分析，其有三種降解途徑（圖 1a），包括甲基的親核取代（SN2）、亞甲基的 SN2和β-H的霍夫曼消去（E2）。而具有剛性籠狀環(huán)的雙環(huán)季銨-奎寧銨（Qui）因其環(huán)應(yīng)變小、構(gòu)象受限，限制了E2反應(yīng)的發(fā)生（圖1b）。以此為指導(dǎo)，通過超酸催化反應(yīng)構(gòu)建了含有奎寧環(huán)和無醚主鏈的聚芳基奎寧聚合物（PAQ）。引入三苯基苯作為支化單元，改善了聚合物的綜合性能，得到不同支化度的PAQ-x陰離子交換膜（圖1c）。
圖 1 (a) PAP的降解途徑；(b) DMP和Qui的化學(xué)結(jié)構(gòu)、Stick 3D和Newman投影，β-H-C-C-N的二面角用紅色標(biāo)出；(c) PAQ-x的合成路線，其中x代表三苯基苯在共聚物中的含量。 將綜合性能優(yōu)異的PAQ-5陰離子交換膜用于AEM-WE，同樣展現(xiàn)出高的電化學(xué)性能和長時(shí)間的器件穩(wěn)定性（圖2）。特別地，作者在無貴金屬催化劑（non-PGM）的AEM-WE中展現(xiàn)出高的電化學(xué)性能，在2.0 V和80 oC條件下電流密度可以達(dá)到8 A cm-2；同時(shí)該non-PGM的AEM-WE在梯度恒電流極限測試下可穩(wěn)定運(yùn)行超2400小時(shí)，在已報(bào)道的工作中處于領(lǐng)先地位。 圖2 (a) AEM-WE示意圖；(b) PAQ-x AEM-WE性能；(c) PAQ-5的non-PGM AEM-WE性能；(d) PAQ-5的AEM-WE的長時(shí)間穩(wěn)定性；(e-f) 性能對比。 在該工作中，作者通過加速老化實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算相結(jié)合的方法證實(shí)了奎寧環(huán)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并通過引入三苯基苯制備了一系列支化型聚芳基奎寧（PAQ-x）AEM。這類AEM表現(xiàn)出極佳的AEM-WE性能和出色的穩(wěn)定性。作為一種新興的、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的AEM，PAQ-5的性能和耐用性可與已開發(fā)成熟的PAP系列AEM相媲美。非貴金屬基的AEM-WE展現(xiàn)出的高性能有望大幅度降低制氫成本，可望推動(dòng)電解水制氫技術(shù)的革新。 論文信息 Stable Anion Exchange Membrane Bearing Quinuclidinium for High-performance Water Electrolysis Liqiang Yin, Dr. Rong Ren, Dr. Lanlan He, Wentao Zheng, Dr. Yu Guo, Dr. Linqin Wang, Dr. Husileng Lee, Dr. Jian Du, Dr. Zhiheng Li, Dr. Tang Tang, Guoheng Ding, Prof.?Dr. Licheng Sun Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202400764
