相比于酸性或堿性水電解制氫，酸堿兩性水電解制氫技術（AAA-WE）可在降低工作電壓（理論電勢差0.401 V）和能耗情況下制備綠氫，被認為是未來氫氣制備的高效方法之一。然而，在該體系中需要一種特定的膜材料，將水分子電解得到的氫離子傳輸到陰極室進行析氫反應（HER），同時將氫氧根離子傳遞至陽極室進行析氧反應（OER），有效阻隔氫氣和氧氣，保持pH梯度，并防止跨膜交叉擴散與酸堿中和等問題。在兩性水電解器件中，常用隔膜為雙極膜，但其較高的界面電阻往往導致電解過程中過電位較高和能耗過大。
聚苯并咪唑（PBI）具有優異的熱化學穩定性和力學性能，且由于其主鏈上的咪唑結構在不同pH環境中具有兩性特征，可作為陰、陽離子固態聚電解質用于傳導氫離子、氫氧根離子以及其他離子，現已應用于高溫質子交換膜燃料電池、全釩液流電池與堿性水電解制氫等領域。然而，目前所報道的大多數PBI膜則是通過有機溶劑澆鑄法形成的致密結構，這極大地局限了膜內離子溶劑持液量與傳導性能。近年來，研究學者們利用多聚磷酸（PPA）或者磷酸（PA）作為溶劑制備了具有松散堆積聚合物鏈段的凝膠態PBI膜，以提高吸收能力和離子傳導率。然而，其較低的酸/堿阻隔性能與機械性能制約了凝膠態PBI膜在AAA-WE中使用的可行性與耐久性。因此，亟需探索更為高效的隔膜材料，兼顧高制氫性能（即高離子傳導性）與長期穩定性（即低的跨膜交叉擴散和優良的機械性能）。
近日，浙江工業大學的黃菲教授與溫州大學的薛立新研究員，通過二維極化/一維收縮工藝制備了各向異性聚苯并咪唑離子溶劑化膜（ISM）。該膜是由數百片約28 nm厚的納米片有序定向地緊密堆疊而成，不僅具有優異的雙離子傳輸特性（氫離子和氫氧根離子），還兼具良好的酸/堿阻隔能力和堅固的力學性能，有望成為新一代酸堿兩性水電解制氫裝置系統所用的高性能隔膜，提高綠氫制備效率。
圖1. 各向異性聚苯并咪唑離子溶劑化膜制備流程圖。
圖2. PBI-aNS、PBI-Gel、PBI-Dense膜的微觀形貌對比分析。
圖3. PBI-aNS離子傳導率與其他代表性PEMs、AEMs、和ISMs膜的性能對比。
氫離子和氫氧根離子跨膜交叉速率會嚴重影響酸堿兩性水電解器件的運行性能與穩定性。PBI-Gel具有較高的孔隙率，因此其跨膜離子滲透率最高，氫離子交叉速率為63 nmol min?1 cm?1，氫氧根離子交叉速率為471 nmol min?1 cm?1。反之，數百層定向緊密堆疊的PBI納米片使PBI-aNS膜的氫離子交叉速率（9 nmol min?1 cm?1）和氫氧根離子交叉速率（56 nmol min?1 cm?1）大幅降低。此外，在酸堿兩性跨膜中和測試中，也可以看出PBI-Gel在10個小時后已無法保持陰陽兩室之間的pH梯度，PBI-aNS則可有效減緩這一問題。綜上，PBI-aNS膜在雙離子傳輸特性（氫離子和氫氧根離子）和酸/堿阻隔能力之間呈現出良好的平衡關系，在酸堿兩性水電解制氫中具有應用潛力。
圖4. PBI-aNS膜與其他代表性隔膜材料的AAA-WE運行性能對比。
以上研究成果以題為“Anisotropic Polybenzimidazole Ion-Solvating Membranes Composed of Aligned Nano-Sheets for Efficient Acid-Alkaline Amphoteric Water Electrolysis”發表在國際知名期刊《Advanced Energy Materials》，文章第一作者為浙江工業大學膜分離與水科學技術研究院黃澤權。通訊作者為溫州大學薛立新研究院和浙江工業大學黃菲教授。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303481
