中科院山西煤化所李南文研究员团队最新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水电解技术

第一作者：胡旭

通讯作者：李南文 耿康

通讯单位：中国科学院山西煤炭化学研究所

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

一、 【导读】  

水电解技术因其可以利用可再生能源获得的电能将水分解为高纯度的氢气和氧气而备受关注。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。基于此，使用致密膜可以设计出一种紧凑的水电解槽，该设备在高压差下具有耐用/耐腐蚀的结构特性，并具有快速的瞬态响应时间，可适应风能和太阳能等可再生能源的波动。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，它们具有高成本的缺点。相反，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，由于固定阳离子基团易发生不可逆的化学降解，导致AEM电解槽在高于60 °C的寿命不足，寻找一种在高温（≥80°C）下具有高碱性和器件稳定性，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仍然是AWE应用的关键挑战。

二、【成果掠影】

为了解决这个问题，中科院山西煤化所李南文研究员团队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）。避免了传统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。该成果以题为“An operationally broadened alkaline water electrolyser enabled by highly stable poly(oxindole biphenylene) ion-solvating membranes”发表在最新一期《Nature Energy》。

 四、【数据概览】

图1  DFT 计算和小分子模型化合物碱稳定性测试©2024 Springer Nature Limited

图2  POBP-ISMs的制备和基本物化性能表征©2024 Springer Nature Limited

图3  POBP-ISMs的离子电导率和稳定性表征©2024 Springer Nature Limited

图4  基于POBP-ISMs的水电解性能表征©2024 Springer Nature Limited

图5  POBP-ISMs的原位稳定性以及与文献对比©2024 Springer Nature Limited

【成果启示】 

作者首先采用DFT和小分子模型化实验证实了去质子化羟吲哚阴离子的高耐碱稳定性，并采用超酸聚合技术合成POBP-ISM，其在80 °C，8 M KOH，15000小时的严苛条件下电导率和结构恒定，显示优异耐碱稳定性。不含芳基醚的聚合物骨架POBP膜较低的吸水率进一步导致在Fenton试剂中具有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，即使在-35 °C的低温下也能快速启动（< 1 s）。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。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。未来，要发展超过120 ℃的高温水电电解技术，发掘更耐高温的聚合物骨架仍然是未来离子溶剂膜发展的主要挑战。

原文详情：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。