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  水電解制氫是一種古老的工業(yè)制造氫氣的方法，工藝過程簡單，能完全自動(dòng)化，氫氣純度也高，且對環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生污染。堿性水電解技術(shù)相對于其他的電解水制氫新技術(shù)發(fā)展較為成熟，且由于工業(yè)化成本較低已經(jīng)商業(yè)化幾十年了，但由于其傳統(tǒng)系統(tǒng)的高內(nèi)阻和慢響應(yīng)時(shí)間導(dǎo)致其電解效率較低。目前，堿性水電解的發(fā)展趨勢是在有限增加制造成本的同時(shí)，大幅降低單位能耗，降低電解槽的電解電壓，提高電解槽電解效率。主要可以通過發(fā)展新的電極材料，新的隔膜材料以及新的電解槽結(jié)構(gòu)-零間距結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。其中堿性聚合物電解質(zhì)膜由于可以使用非貴金屬催化劑作為新的隔膜材料應(yīng)運(yùn)而生，即以氫氧化物形式的陽離子單體功能化的陰離子交換膜（AEMs）為基礎(chǔ)。AEMs作為水電解隔膜材料遇到最大的挑戰(zhàn)之一是在堿性條件下聚合物和陽離子基團(tuán)會(huì)發(fā)生降解。

  針對以上問題，楊景帥課題組以N-甲基吡咯烷（MPy）、聚（乙烯基芐基氯）（PVBC）和聚醚酮-cardo（PEK-cardo）作為原材料，采用一種簡單、溫和、無致癌試劑的化學(xué)方法合成了一系列高耐堿性和離子電導(dǎo)率的新型AEMs。其中MPy功能化PVBC（PVBC-MPy）溶脹嚴(yán)重不能單獨(dú)使用，選用PEK-cardo作為增強(qiáng)材料以提供足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，用于AEMs水電解的集成和測試。

圖1. PVBC-MPy/x%PEK-cardo離子交換膜的制備

  該課題組進(jìn)一步對所制備的新型AEMs的一系列性能研究。陽離子基團(tuán)MPy為五元氮雜環(huán)，由于其非極化結(jié)構(gòu)和高抗氫氧化物攻擊能力，具有超高耐堿性；而主鏈PVBC是一種長烷烴鏈聚合物，不含醚鍵等強(qiáng)吸電子基團(tuán)，也具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性。以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%的PVBC-MPy/35%PEK-cardo膜為例，其IEC值約為2.65mmol g^-1；體積溶脹率為38%；離子電導(dǎo)率在80℃時(shí)為28.4mS cm^-1；濕態(tài)下室溫拉伸強(qiáng)度為15.1MPa；在1mol L^-1KOH溶液80℃條件下浸泡500 h后電導(dǎo)率保留率為85%；耐堿336h后拉伸強(qiáng)度僅輕微下降。這一系列性能證明所制備的AEMs具有較高的導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度和良好的耐堿穩(wěn)定性。

圖2. (A)PVBC-MPy/x%PEK-cardo膜在純水中的電導(dǎo)率；(B)濕態(tài)下的機(jī)械性能；(C)在1mol L^-1 KOH溶液80℃條件下浸泡后的耐堿穩(wěn)定性; (D)60 ℃,1mol L^-1 KOH溶液耐堿后的機(jī)械性能

  由于PVBC-MPy/35%PEK-cardo膜在高離子導(dǎo)電性和機(jī)械穩(wěn)定性之間表現(xiàn)出良好的平衡性，該團(tuán)隊(duì)將其選用于水電解測試中。在堿性水電解實(shí)驗(yàn)中，電池極化曲線表明，在60℃條件下，電流密度為500 mA cm^-1時(shí)電池電壓達(dá)到2V。同時(shí)，通過EIS和電池壽命試驗(yàn)確定了膜在弱堿性條件下運(yùn)行的可行性。這表明所制備的復(fù)合膜是一種很有前途的AEMs水電解隔膜材料。

圖3. (A)極化曲線；(B) 記錄在20、40、80、150mAcm^-2下的奈奎斯特圖，其中灰色為初始測量曲線，紅色虛線為試驗(yàn)結(jié)束后測量曲線；(C)在1mol L^-1 KOH溶液中60 ℃條件下進(jìn)行水電解測試

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（J. Mater. Chem. A, 2019, DOI: 10.1039）上。該論文的第一作者為東北大學(xué)理學(xué)院碩士生李歡歡，通訊作者為東北大學(xué)楊景帥副教授，共同通訊作者為丹麥技術(shù)大學(xué)David Aili研究員。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c9ta04868e#!divAbstract