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近年來，全球氣候變暖加劇，氣象災害頻發，開發清潔能源以取代傳統化石燃料逐漸成為國際共識。陰離子交換膜電解水制氫技術（AEM-WE）采取膜電極組裝方式，具有電流密度高、不依賴貴金屬催化劑、產生的氫氣純度高等優點，日益受到關注。陰離子交換膜（AEM）是其中的關鍵技術，開發新型高效AEM意義重大。

近日，西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心孫立成院士團隊報道了一種用于高性能電解水制氫的聚二苯并噻吩-三苯基哌啶（Z-S-x）陰離子交換膜（AEM），為高效離子交換膜的創新開發提供一種新的思路。

目前有三種氫氧根傳導機理被普遍接受（圖1a），而大部分AEM開發策略聚焦于利用表面電荷跳躍機理與車載機理。該工作聚焦的Grotthuss機理通過氫鍵網絡中氫氧鍵的形成與斷裂傳導氫氧根，是比車載機理更快的方式。研究團隊引入二苯并噻吩結構制備Z-S-x，利用其中S原子的特性構建發達氫鍵網絡，通過Grotthuss機理傳導氫氧根。同時，該氫鍵網絡連接相鄰的表面跳躍機理區域，形成氫氧根傳導高速公路（圖1b）。

圖1 （a）陰離子交換膜傳質機理；（b）Z-S-x結構示意圖及連續傳質高速示意圖。

Z-S-x性能優異，離子電導率相較于兩組分聚合物PAP-TP-100（圖2a）提升69%。相較于結構類似的三組分聚合物PFTP-26（圖2b），Z-S-20擁有更高的離子電導率，并在工況需要的高溫下表現出更強的機械穩定性。運用于非貴金屬催化劑的AEM-WE中，Z-S-20同樣表現優異。利用CCS在2 V，80 °C下實現7.12 A cm^-2的電流密度，處于世界領先水平（圖2c）,并在2 V，40 °C下穩定運行650 h。

圖2 （a）PAP-TP-100結構示意圖；（b）PFTP-26結構示意圖；（c）全非貴金屬催化的AEM-WE性能對比圖。

該工作通過設計增強氫鍵網絡的方式有效利用Grotthuss機理，合成了一系列Z-S-x聚合物并用于高性能陰離子交換膜水電解，展現出優異的性能與穩定性。該工作中提及的離子傳導高速公路構建策略具有普適性，為未來陰離子交換膜、質子交換膜、雙極膜等離子交換膜的性能提升提供更多可能。

論文信息

Poly(Dibenzothiophene-Terphenyl Piperidinium) for High-Performance Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

Wentao Zheng,?Lanlan He,?Tang Tang,?Rong Ren,?Husileng Lee,?Guoheng Ding,?Linqin Wang,?Licheng Sun

Angewandte Chemie International Edition

DOI:?10.1002/anie.202405738

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