分子设计新范式！东北大学杨景帅团队&大连化物所赵云团队 CEJ 新突破：芳基烷基醚改性聚三联苯哌啶鎓膜，破解阴离子交换膜水电解性能瓶颈

含芳基烷醚及π共轭丁二烯段三联苯哌啶酮共聚物膜应用于阴离子交换膜水电解

在“双碳”战略引领下，绿色氢能作为零碳能源体系的核心载体，其规模化制备技术成为全球科研攻关焦点。阴离子交换膜水电解（AEMWE）凭借非贵金属催化剂兼容特性，突破了质子交换膜水电解（PEMWE）对铂族金属的依赖，成为降低氢能生产成本的关键路径。然而，AEMWE技术的商业化进程受限于核心组件 —— 阴离子交换膜（AEM）的性能瓶颈：强碱性、高温工况下，膜材料的离子电导率、机械稳健性与碱性耐久性三者难以协同优化，成为制约电解槽长周期高效运行的“卡脖子”难题。

聚三联苯哌啶鎓（QPTP）因全碳主链结构展现出卓越的碱性稳定性，已成为 AEM 领域的基准材料，但刚性主链导致的离子传输效率不足、高离子交换容量（IEC）下的尺寸溶胀失控等问题，仍需通过精准的分子工程策略破解。传统改性方法多聚焦单一性能提升，往往导致“顾此失彼”，如何通过主链结构调控实现多性能协同优化，成为该领域的核心科学挑战。

近日，东北大学杨景帅副教授团队与中国科学院大连化学物理研究所赵云研究员团队联合，在国际顶级期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=13.2）发表突破性研究成果。该团队创新性地提出“主链共聚-功能单元协同” 的分子设计策略，通过将柔性芳基烷基醚（DPOE）与 π- 共轭丁二烯（DPBD）单元精准嵌入 QPTP 骨架，构建了兼具完善微相分离结构与动态氢键网络的共聚物膜，成功实现离子电导率、机械强度与碱性稳定性的同步跃升。

其中，优化制备的QPTP-DPOE-20膜表现出里程碑式的综合性能：80℃下Cl⁻电导率高达131.6 mS cm⁻¹，较纯QPTP膜提升 70%；室温拉伸强度达17.5 MPa，断裂伸长率提升至12.8%；在80℃、1 M KOH 严苛环境中浸泡1340 h后，聚合物主链与功能基团无明显降解，电导率保持率接近100%；搭载无铂族金属（PGM-free）电极的AEMWE电解槽，在80℃、1.8 V条件下电流密度达1.76 A cm⁻²，1000 mA cm⁻² 恒流工况下稳定运行884 h无明显电压衰减，性能指标跻身国际前列。该研究为高性能 AEM 的分子设计提供了全新范式，有力推动了 AEMWE 技术的实用化进程。

图1. PTP、PTP-DPD-x、PTP-DPOE-x及其对应的季铵化聚合物合成路径示意图。

要点一：分子设计巧思 —— 功能单元的精准选型与协同效应

团队基于概念密度泛函理论（CDFT）计算与分子动力学模拟，实现共聚单体的理性筛选：DPBD 单元凭借 π 共轭平面结构，可破坏 QPTP 主链的紧密堆积，提升自由体积；DPOE 单元则通过芳基烷基醚键的柔性特征与极性氧原子，构建动态氢键网络。两种功能单元的差异化设计，为膜材料的多性能协同优化奠定结构基础。

通过超酸催化聚羟基烷基化反应，团队将DPBD、DPOE与对三联苯（TP）进行共缩聚，制备了系列共聚比例（5%-20%）的 PTP 基共聚物。1H NMR光谱证实，DPOE 单元中-CH₂-CH₂-特征峰（~4.5 ppm）与季铵化甲基特征峰（3.18 ppm）清晰可见，验证了功能单元的成功嵌入与近100%的季铵化效率；固有粘度测试表明，共聚单体的高反应活性使聚合物分子量显著提升，为膜材料的机械稳健性提供了分子层面保障。

要点二：微结构调控 —— 从分子堆积到离子传输通道的精准构筑

扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）与原子力显微镜（AFM）表征揭示，功能单元的引入显著调控了膜材料的微相分离行为：QPTP-DPBD-20 膜形成离散型亲水域，而QPTP-DPOE-20膜则因动态氢键网络的诱导作用，形成连续贯通的“离子传输高速公路”，且亲水/疏水域尺寸均一，为阴离子快速迁移提供了低阻路径。

水接触角测试显示，QPTP-DPOE-20膜的表面接触角低至60.9°，较纯QPTP膜（90.8°）亲水性显著提升，而动态氢键网络的“物理交联”效应有效抑制了高吸水率下的尺寸溶胀 ——80℃时吸水率达63.6%的同时，体积溶胀率仅7.5%，远低于传统改性膜的溶胀水平，实现了“高吸水-低溶胀”的协同。

要点三：性能飞跃 —— 多维度指标刷新 AEM 性能基准

1. 离子传输效率：

QPTP-DPOE-20膜在80℃下的Cl⁻电导率达131.6 mS cm⁻¹，较纯QPTP膜（77.4 mS cm⁻¹）提升 70%，优于多数已报道的 QPTP 基改性膜，这一提升源于连续微相分离结构与氢键网络介导的 Grotthuss 传质机制协同作用。

2. 机械稳健性：

共聚物膜的拉伸强度与断裂伸长率较纯QPTP膜实现翻倍提升，QPTP-DPBD-20与QPTP-DPOE-20的拉伸强度分别达18.3 MPa 与17.5 MPa，断裂伸长率突破12%，展现出优异的抗形变能力与操作耐受性，满足电解槽组装与长周期运行需求。

3. 极端环境稳定性：

热重分析（TGA）表明，两种共聚物膜的初始降解温度均高于 190℃，满足 AEMWE 常规工作温度（≤80℃）要求；碱性稳定性测试中，三种膜在 80℃、1 M KOH 中浸泡1340 h后，电导率无明显衰减，1H NMR光谱未检测到主链断裂或功能基团降解信号，其中QPTP-DPOE-20 膜虽含醚键，但芳基-烷基醚结构避免了强吸电子基团诱导的亲核进攻，突破了传统醚键型AEM碱性不稳定的认知局限。

要点四：应用验证 —— 电解槽性能与耐久性的双重突破

团队采用 NiFe 自支撑阳极与 NiCoS 阴极构建 PGM-free 电解槽，对共聚物膜的实际应用性能进行系统评估。极化曲线测试显示，80℃、1 M KOH 条件下，QPTP-DPOE-20 膜对应的电解槽在1.8 V 电压下电流密度达 1760 mA cm⁻²，较 QPTP-DPBD-20 膜（1600 mA cm⁻²）与纯 QPTP 膜（950 mA cm⁻²）表现出更优的电解动力学。

长期耐久性测试中，QPTP-DPOE-20 膜组装的电解槽在60 ℃、1 M KOH、1000 mA cm⁻² 恒流工况下稳定运行884 h，电压波动幅度小于5%，而QPTP-DPBD-20 膜运行不足 240 h即因膜失效导致电解槽性能崩溃。这一结果证实，DPOE 单元构建的动态氢键网络不仅优化了膜的本征性能，更提升了膜与电极的界面相容性，为电解槽长周期稳定运行提供了双重保障。

要点五：科学价值与产业意义

该研究通过精准的分子结构调控，揭示了功能单元的构象特征与膜材料微结构、宏观性能之间的构效关系，提出了“动态氢键网络-微相分离结构”协同优化的全新改性范式，为高性能AEM的设计提供了明确的理论指导。相较于传统单一性能优化策略，该方法实现了“分子设计-微结构调控-性能协同” 的全链条创新，具有重要的科学借鉴价值。

从产业应用视角，QPTP-DPOE-20 膜的高性能与低成本制备潜力，为AEMWE电解槽的商业化提供了核心材料支撑，有望推动绿色氢能生产成本的进一步降低，加速氢能在交通运输、能源存储等领域的规模化应用。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.175291

杨景帅 副教授

东北大学化学系副教授，硕士研究生导师。2013年于东北大学获得理学博士学位。 2010 年-2012年在丹麦科技大学（DTU）博士联合培养； 2024 年 -2025 年在瑞典隆德大学访问学者。长期聚焦功能高分子膜材料的分子设计、制备与电化学应用研究，在水电解、燃料电池、钒液流电池以及水系锌离子电池等领域积累了深厚的研究基础。主持国家自然科学基金、辽宁省重大科技专项等项目10余项。截止 2025 年底，获批国家发明专利7项；以通讯和第一作者身份在Journal of Energy Chemistry, Macromolecules, Science China-Chemistry, Chemical Engineering Journal等高水平学术刊物上累计发表 SCI 论文 100 余篇，论文总被引次数超过 3800次， H指数43。

赵云 研究员

中国科学院大连化学物理研究所博士，研究员，博士生导师。2013年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获得化学工程专业博士学位。曾在美国特拉华大学化工系从事博士后工作。2022年1月加入中国科学院大连化学物理研究所。入选辽宁省优青、“兴辽英才青年拔尖”、大连化物所“张大煜青年学者”。主要研究内容包括碱性阴离子交换膜、氨燃料电池、电化学CO2捕获等，研究涉及电化学/工程、高分子化学、物理化学、电催化、纳米技术等多个学科的交叉结合。作为项目或课题负责人承担国家专项人才项目、国家自然科学基金面上项目、中国科学院先导项目、中国科学院内联合基金项目等。以第一/通讯作者(共同)在Nature Energy, Nature Nanotechnology, Joule, Nature Communication, Angew. Chem. Int.等学术期刊上发表论文70余篇，申请发明专利40余项，授权20余项。

赵文哲 硕士研究生

东北大学理学院化学系24级硕士研究生，主要从事阴离子交换膜的分子设计、制备与性能调控研究。在本研究中主导了共聚物合成、膜制备、理化性能表征与电解槽性能测试等核心工作，提出了功能单元协同优化的关键思路，相关研究成果已发表于Chemical Engineering Journal、Polymer等国际知名期刊。

杨景帅副教授课题组（东北大学）

课题组依托东北大学理学院化学系，聚焦功能高分子材料与电化学能源交叉领域，构建了从分子设计、材料制备到器件应用的完整研究体系。团队拥有高分子合成实验室、电化学测试平台、膜性能表征中心等完善的科研设施，研究方向涵盖阴离子 / 质子交换膜、新型储能材料与器件、电催化材料等，致力于解决新能源技术中的核心材料问题。课题组与国内外多所高校、科研院所及企业建立了深度合作关系。毕业生发展多元：部分入职比亚迪、海辰储能、潍柴等行业龙头企业，另有优秀学生于国内高水平大学深造。

投稿请联系contact@scimaterials.cn