相比于酸性或堿性水電解制氫，酸堿兩性水電解制氫技術(shù)（AAA-WE）可在降低工作電壓（理論電勢(shì)差0.401 V）和能耗情況下制備綠氫，被認(rèn)為是未來(lái)氫氣制備的高效方法之一。然而，在該體系中需要一種特定的膜材料，將水分子電解得到的氫離子傳輸?shù)疥帢O室進(jìn)行析氫反應(yīng)（HER），同時(shí)將氫氧根離子傳遞至陽(yáng)極室進(jìn)行析氧反應(yīng)（OER），有效阻隔氫氣和氧氣，保持pH梯度，并防止跨膜交叉擴(kuò)散與酸堿中和等問(wèn)題。在兩性水電解器件中，常用隔膜為雙極膜，但其較高的界面電阻往往導(dǎo)致電解過(guò)程中過(guò)電位較高和能耗過(guò)大。

聚苯并咪唑（PBI）具有優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能，且由于其主鏈上的咪唑結(jié)構(gòu)在不同pH環(huán)境中具有兩性特征，可作為陰、陽(yáng)離子固態(tài)聚電解質(zhì)用于傳導(dǎo)氫離子、氫氧根離子以及其他離子，現(xiàn)已應(yīng)用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池、全釩液流電池與堿性水電解制氫等領(lǐng)域。然而，目前所報(bào)道的大多數(shù)PBI膜則是通過(guò)有機(jī)溶劑澆鑄法形成的致密結(jié)構(gòu)，這極大地局限了膜內(nèi)離子溶劑持液量與傳導(dǎo)性能。近年來(lái)，研究學(xué)者們利用多聚磷酸（PPA）或者磷酸（PA）作為溶劑制備了具有松散堆積聚合物鏈段的凝膠態(tài)PBI膜，以提高吸收能力和離子傳導(dǎo)率。然而，其較低的酸/堿阻隔性能與機(jī)械性能制約了凝膠態(tài)PBI膜在A(yíng)AA-WE中使用的可行性與耐久性。因此，亟需探索更為高效的隔膜材料，兼顧高制氫性能（即高離子傳導(dǎo)性）與長(zhǎng)期穩(wěn)定性（即低的跨膜交叉擴(kuò)散和優(yōu)良的機(jī)械性能）。

針對(duì)上述關(guān)鍵問(wèn)題，本篇工作探討了一種構(gòu)筑各向異性離子溶劑化膜的新方法，具體創(chuàng)新策略與思路包括：1）利用PPA溶膠-凝膠工藝制備具有多孔層狀結(jié)構(gòu)的PBI-Gel膜，以提高酸堿吸收能力和離子遷移能力；2）采用二維極化/一維收縮工藝，使PBI分子鏈在納米片層中緊密堆積，從而緩解氫離子與氫氧根離子之間的跨膜交叉擴(kuò)散現(xiàn)象；3）形成具有各向異性的PBI-aNS薄膜材料，為未來(lái)兩性電解水制氫技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

圖1. 納米片組合聚苯并咪唑膜用于高效酸堿兩性水電解制氫的概念示意圖。

該工作以“Anisotropic Polybenzimidazole Ion-Solvating Membranes Composed of Aligned Nano-Sheets for Efficient Acid-Alkaline Amphoteric Water Electrolysis”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Advanced Energy Materials》上。我院薛立新研究員和浙江工業(yè)大學(xué)黃菲教授為共同通訊作者。本研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委基金項(xiàng)目（22209147）和中國(guó)工程院院士咨詢(xún)項(xiàng)目（ 2022- DZ -08）的資助完成。

文章鏈接：“Anisotropic Polybenzimidazole Ion-Solvating Membranes Composed of Aligned Nano-Sheets for Efficient Acid-Alkaline Amphoteric Water Electrolysis”

https://doi.org/10.1002/aenm.202303481