清华大学王海辉/丁力团队，Angew.：高性能电解水用阴离子交换膜的开发- 大数跨境

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清华大学王海辉/丁力团队，Angew.：高性能电解水用阴离子交换膜的开发

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2024-08-19

导读：清华大学王海辉/丁力团队，Angew.：高性能电解水用阴离子交换膜的开发

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文章信息

用于高效水电解的三嗪交联和吡啶封端的阴离子交换膜

通讯作者：王海辉，丁力

单位：清华大学

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研究背景

理想的 AEM不仅应具有较高的氢氧化物传导性，还应具有良好的运行稳定性。AEM通常由含有阳离子基团和 OH- 的聚合物组成。AEM的两个主要功能是传导OH-和隔离膜两侧的气体，这直接影响到电解槽的效率和制氢的纯度。从理论上讲，提高 AEM 电流密度的关键在于提高理论 OH- 交换容量（IEC）。目前，线性无醚聚（芳基哌啶）已被证明是一种优良的耐碱 AEM 材料。其中，聚联苯吡啶（PBP）具有超高的理论IEC（3.55 mmol g^-1），但由于其膨胀率较高，尚未直接用作AEM。近年来，一些研究人员利用三苯基甲烷（TPM）、三苯基苯（TPB）和三碟烯（TPC）交联 PBP，以优化其结构稳定性，并取得了重大进展。例如，TPC 交联的 PBP 可用作 AEMWE 的离聚物，并表现出优异的性能。因此，克服 PBP 的溶胀问题并提高其离子传导性对于真正长期使用基于 PBP 的 AEM 具有重要意义。然而，传统的交联方法虽然能解决溶胀问题，但也容易形成更致密的网络，从而牺牲离子导电性。因此，要获得既具有高 OH^-导电性又具有高结构稳定性的高性能 AEM 仍具有挑战性。

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文章简介

近日，来自清华大学的王海辉教授和丁力助理研究员团队在Angewandte Chemie International Edition上报道了题为“Engineering Robust Triazine Crosslinked and Pyridine Capped Anion Exchange Membrane for Advanced Water Electrolysis”的文章。该工作通过三嗪交联形成刚性网络，并采用吡啶封端以调控网络密度，构建了高离子电导率和高尺寸稳定性的AEM，并应用于非贵金属电解槽高效制氢(图 1a）。

图1. tPBPp-OH AEMs 的合成。

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本文要点

在这项工作中，作者将三嗪交联与吡啶封端（tPBPp-OH）相结合，开发出了一种具有 PBP 网络的坚固AEM，用于先进的水电解应用。(图1a）。与上述交联基团（TPM、TPB 和 TPC）相比，含有丰富氮原子的三嗪不仅能提高 AEM 的亲水性，还能通过三聚氯氰与 PBP 中的氨基反应引入阳离子基团。此外，在交联位点上的吡啶封端还能防止形成致密的网络，提高 AEM 的离子交换能力。另外，三嗪的交联能有效抑制 PBP 的溶胀。因此，所得到的tPBPp-0.6-OH AEM具有低溶胀率（19.2%）、优异的机械强度（79.4 MPa）和高氢氧根离子电导率（247.2 mS cm^-1），优于当前报道的最先进的AEM。此外，该tPBPp-0.6-OH AEM在1 M KOH 中的稳定性可长达5,000 小时。更重要的是，在商用镍铁和镍钼催化剂的条件下，基于tPBPp-OH AEM的电解槽在2 V电压下的电流密度可达 3 A cm^-2，超过了大多数已报道的AEM。

图 2. tPBPp-OH 膜的表征和实物图。

图 3. tPBPp-OH AEMs 的物理性质。

图 4. tPBPp-OH AEMWEs 的性能。

该工作将三嗪交联和吡啶封端相结合可以提高AEM的稳定性和OH-电导率，并在使用非贵金属催化剂的情况下提高其在水电解中的性能。该AEM的稳定性和相应的电解槽性能的提高可归因于以下特征：（1）“交联链段”可防止主链之间的过度膨胀，（2）“吡啶封端链段”可以优化网络结构从而提高OH-的迁移速率。上述策略为设计用于高性能制氢电解槽的AEM提供了参考。

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文章链接

Engineering Robust Triazine Crosslinked and Pyridine Capped Anion Exchange Membrane for Advanced Water Electrolysis

https://doi.org/10.1002/anie.202412632

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通讯作者简介

王海辉教授简介：清华大学国强特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，万人计划科技创新领军人才，国务院政府特殊津贴获得者。其主要研究领域为无机膜在清洁能源和洁净环境的应用基础研究，开展了无机膜分离、膜催化及新能源材料的研究。2003年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获博士学位。先后在德国汉诺威大学做洪堡学者和博士后研究人员。2007年回国，同年入选教育部新世纪优秀人才计划， 2012年获得国家杰出青年基金，2015年入选科技部中青年科技创新领军人才，2016年入选英国皇家化学会Fellow， 2018年获得万人计划科技创新领军人才和国务院政府特殊津贴，2021年获得科学探索奖。近年来主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点、面上、中德合作、科技部国家重点研发计划等项目资助。获得国家自然科学二等奖（2015年），教育部自然科学一等奖（2019年），广东省自然科学一等奖（2014年）和侯德榜化工科技创新奖（2017年）。获授权国家发明专利50余项。在Nat. Energy, Nat. Sustain., Sci. Adv., Nat. Communications, Angew. Chem. Int. Ed.，JACS, Adv. Mater.等学术期刊上，发表论文300余篇，论文被引用30000余次，H因子：76。

丁力老师简介：清华大学化工系助理研究员。2019年博士毕业于华南理工大学，2022年进入清华大学化工系。主要致力于二维膜材料的设计与制备、电解水制氢隔膜的开发与应用相关研究。在Nature Sustainability、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、J. Membr. Sci.等化学化工国际重要学术期刊上发表SCI论文30余篇，合作撰写国际上第一本关于MXene膜分离的书（Wiley出版）。总引用4500余次，单篇最高引用944次。先后主持了国家自然科学基金面上项目及青年项目、国家重点研发计划子课题、企业横向、广东省自然科学基金粤穗联合基金青年项目、中国博士后特别资助（站前）、中国博士后面上资助等多项科研项目。入选了北京市科协2023-2025年度青年人才托举工程，获得了2023年中国化工学会基础研究成果奖一等奖等奖励。

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第一作者简介

邓国雄博士，于2022获得天津理工大学博士学位，随后进入清华大学从事博士后研究，主要方向是氢氧根离子交换膜电解水制氢。

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课题组招聘

清华大学化工系王海辉课题组招聘博士后信息

因科研工作需要，清华大学化学工程系王海辉教授课题组2024年招聘博士后3-4名。

导师简介

王海辉，清华大学国强特聘教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，万人计划科技创新领军人才，国务院政府特殊津贴获得者。其主要研究领域为无机膜在清洁能源和洁净环境的应用基础研究，开展了无机膜分离、膜催化及新能源材料的研究。2003年毕业于中国科学院大连化学物理研究所，获博士学位。先后在德国汉诺威大学做洪堡学者和博士后研究人员。2007年回国，同年入选教育部新世纪优秀人才计划， 2012年获得国家杰出青年基金，2015年入选科技部中青年科技创新领军人才，2016年入选英国皇家化学会Fellow， 2018年获得万人计划科技创新领军人才和国务院政府特殊津贴，2021年获得科学探索奖。

近年来主持国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点、面上、中德合作、科技部国家重点研发计划等项目资助。获得国家自然科学二等奖（2015年），教育部自然科学一等奖（2019年），广东省自然科学一等奖（2014年）和侯德榜化工科技创新奖（2017年）。获授权国家发明专利50余项。在Nat. Energy, Nat. Sustain., Sci. Adv., Nat. Communications, Angew. Chem. Int. Ed.，JACS, Adv. Mater.等学术期刊上，发表论文300余篇，论文被引用30000余次，H因子：76。

更多详情，欢迎访问课题组网站：

http://www.chemeng.tsinghua.edu.cn/scholars/wanghaihui/wanghaihui.html

因工作需要在以下6个方向招收博士后：

申请条件和要求：

1、申请人应符合清华大学博士后基本申请条件；已取得博士学位，或近期能顺利答辩获得博士学位者；

2、学术背景：具有相关研究方向的研究经历并以第一作者发表过高水平学术论文；

3、热爱科研工作，具有较强的实验和系统分析能力，团队合作和组织协调能力突出。

工作待遇：

按照清华大学相关规定执行。具体包括如下方面：

根据清华大学博士后管理相关政策执行。另外，课题组将根据工作能力和表现，提供额外补贴。此外，课题组积极支持并指导博士后申请人及在站博士后申报各类博士后人才支持计划：（1）若入选清华大学“水木学者”计划，年薪25~30万元，并享受国家住房补贴1.2万元/年，以及相关物业和采暖补贴；（2）若入选“博士后创新人才支持计划”（简称“博新计划”），两年60万资助，其中40万为博士后日常经费，20万为博士后科学研究基金；3）若入选“博士后基金特别资助计划”，年薪18万。

可租住清华大学博士后公寓，或享受学校租房补贴4.2万元/年。

博士后子女可在清华大学附属幼儿园或清华大学附属小学上学。

在站期间，户口可迁入北京；出站后，可享受博士后户口迁移政策及家属户口随迁政策。

本课题组将为博士后提供个人职业能力提升计划，主要包括：（1）提供个人学术能力培训和职业发展规划指导；（2）积极支持并指导申报博士后科学基金、国家自然科学基金委-青年科学基金、北京市相关基金等；（3）积极支持博士后参加国内外高水平学术会议；（4）积极推荐优秀博士后到国外名校深造；（5）对于入选“水木学者”计划的博士后，可参加清华大学教师职业技能培训，进一步提升自我职业能力。