Angew. Chem. ：聚二苯并噻吩-三苯基哌啶结构提供高性能离子交换膜设计新思路

近年来，全球气候变暖加剧，气象灾害频发，开发清洁能源以取代传统化石燃料逐渐成为国际共识。阴离子交换膜电解水制氢技术（AEM-WE）采取膜电极组装方式，具有电流密度高、不依赖贵金属催化剂、产生的氢气纯度高等优点，日益受到关注。阴离子交换膜（AEM）是其中的关键技术，开发新型高效AEM意义重大。

近日，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成院士团队报道了一种用于高性能电解水制氢的聚二苯并噻吩-三苯基哌啶（Z-S-x）阴离子交换膜（AEM），为高效离子交换膜的创新开发提供一种新的思路。

目前有三种氢氧根传导机理被普遍接受（图1a），而大部分AEM开发策略聚焦于利用表面电荷跳跃机理与车载机理。该工作聚焦的Grotthuss机理通过氢键网络中氢氧键的形成与断裂传导氢氧根，是比车载机理更快的方式。研究团队引入二苯并噻吩结构制备Z-S-x，利用其中S原子的特性构建发达氢键网络，通过Grotthuss机理传导氢氧根。同时，该氢键网络连接相邻的表面跳跃机理区域，形成氢氧根传导高速公路（图1b）。

图1 （a）阴离子交换膜传质机理；（b）Z-S-x结构示意图及连续传质高速示意图。

Z-S-x性能优异，离子电导率相较于两组分聚合物PAP-TP-100（图2a）提升69%。相较于结构类似的三组分聚合物PFTP-26（图2b），Z-S-20拥有更高的离子电导率，并在工况需要的高温下表现出更强的机械稳定性。运用于非贵金属催化剂的AEM-WE中，Z-S-20同样表现优异。利用CCS在2 V，80 °C下实现7.12 A cm^-2的电流密度，处于世界领先水平（图2c）,并在2 V，40 °C下稳定运行650 h。

图2 （a）PAP-TP-100结构示意图；（b）PFTP-26结构示意图；（c）全非贵金属催化的AEM-WE性能对比图。

该工作通过设计增强氢键网络的方式有效利用Grotthuss机理，合成了一系列Z-S-x聚合物并用于高性能阴离子交换膜水电解，展现出优异的性能与稳定性。该工作中提及的离子传导高速公路构建策略具有普适性，为未来阴离子交换膜、质子交换膜、双极膜等离子交换膜的性能提升提供更多可能。

论文信息

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