王保国教授、刘凯研究员， JMCA研究性论文：高度定向溶胀的阴离子交换膜制备与电化学过程应用- 大数跨境

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王保国教授、刘凯研究员， JMCA研究性论文：高度定向溶胀的阴离子交换膜制备与电化学过程应用

科学材料站

2021-09-28

导读：本文报道了一种可控定向溶胀的阴离子交换膜，有效改善膜材料与电极界面之间的接触状态，显著提升阴离子交换膜燃料电池和电解水制氢性能。

文章信息

高度定向溶胀的阴离子交换膜制备与电化学过程应用

第一作者：徐子昂

通讯作者：王保国*，刘凯*

单位：清华大学化学工程系

研究背景

氢气作为清洁能源载体引起多方面高度重视，利用电解水制氢和燃料电池过程，可实现电能和化学能之间无碳排放的能量转化。其中，阴离子交换膜电解水（AEMWE）和阴离子交换膜燃料电池（AEMFC），可以使用非贵金属催化剂，不受矿产资源限制，显著降低成本。

作为上述过程中的核心材料，阴离子交换膜（AEMs）承载着传递OH-离子的功能，对AEMFC和AEMWE器件的稳定性和使用寿命起到决定性作用。一方面，阴离子交换膜材料的发展极大地推动了能源转化器件的发展；另一方面，膜材料和电极之间的接触问题也逐渐被研究发现成为一个重要问题。

然而，多数研究中对于器件中膜材料和催化电极的研究是孤立的，一些高电导率的阴离子交换膜与电极存在着较多的微小间隙，在器件使用过程中极大地影响了传质和电子传递，从而降低电解效率。

本文通过设计并制备各项异性的阴离子交换膜HWU-AEM，在吸水后会发生垂直方向上的溶胀，自动填充膜与催化电极之间的间隙，而平行方向则尺寸保持不变，维持应有的机械性能。该设计实现超越商业化阴离子交换膜电解水的电解性能和稳定性，同时也在燃料电池中实现1.1W cm-2的功率密度。

文章简介

在这里，清华大学王保国教授、刘凯研究员在国际知名期刊Journal of Materials Chemistry A上发表题为“Anisotropic anion exchange membranes with extremely high water uptake for water electrolysis and fuel cell”的研究论文。

本文报道了一种可控定向溶胀的阴离子交换膜，有效改善膜材料与电极界面之间的接触状态，显著提升阴离子交换膜燃料电池和电解水制氢性能。

图1. HWU-AEM的制备过程及高吸水诱导的适应性溶胀示意图。

文章要点

要点一：阴离子交换膜定向可控溶胀

图2. HWU-AEM的基础性能测试

为了实现阴离子交换膜定向溶胀，仅有一个方向上高度溶胀而另一个方向上保持不变的特征，HWU-AEM采用单体溶液填充基底，光照原位聚合的方法。

由于受限于惰性的聚四氟乙烯多孔骨架，填充的交联聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）吸水后，在垂直孔道的方向发生显著溶胀，自由状态下能够增加近5倍的厚度；然而，平行于膜表面方向的尺寸近乎保持不变，并维持良好机械性能。

该方式制备的HWU-AEM不仅几何尺寸定向可调，同时具有良好的电导率。该性质源于基底的结构化及高度吸水的填充物。HWU-AEM与近年来报道的阴离子交换膜材料的相比，拥有极高的吸水性能。

要点二：膜材料化学结构设计与可控制备

图3. HWU-AEM的化学结构及形貌

HWU-AEM可轻易通过自由基聚合的机理实现600cm-2的制备，结构呈现出良好、致密的特征，两相分布均匀。材料的宏观机械性能较好，能够弯曲、挤压形变并恢复原状。

在较大尺度上，通过Micro-CT实现的切面重构，可清晰观察到材料的骨架与离子传导区域的结构化分布。表面的红外显微扫描的C-H峰强度也展现出材料两相相容的均匀性，为膜材料在后续应用中的气体阻隔性能提供保障。

要点三：有效改善膜与催化电极的接触状态

图4. HWU-AEM运用于阴离子交换膜电解水过程

图5. HWU-AEM运用于H2/O2燃料电池过程

当HWU-AEM组装为膜电极应用到电解水制氢和燃料电池过程，吸水膜与催化电极的接触呈现良好接触，显著优于市售离子膜产品；研究证明该策略能够同时用于自支撑电极和粉末状催化剂表面。

由于界面接触状态改善，界面欧姆阻抗明显减小，为能源转化过程的高性能及稳定性提供保障。在电解水制氢过程，室温下1.9V单室电压，能够产生911mA cm-2的电流；在燃料电池中实现1.1W cm-2的功率密度，为新型离子交换膜结构设计与制备提供新思路。

文章链接

Anisotropic anion exchange membranes with extremely high water uptake for water electrolysis and fuel cell.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/ta/d1ta06579c

通讯作者简介

面向电化学能源转化与储能领域，开展膜分离和电化学工程的交叉领域科学研究，揭示电化学能源材料（离子传导膜、自支撑催化电极）的“化学组成—物理结构-器件性能”之间的构效关系，发展电化学能源转换与储能过程的材料、装备与基础理论。研究碱性膜电解水制氢技术与装备、全钒液流电池技术与装备，以及高性能锌空气电池关键材料与技术。

课题组招聘

面向电化学能源转化与储能技术领域，常年招聘博士后，开展催化电极、膜电极、离子交换膜等能源关键材料，以及器件、装备研究开发。