原创 新能产学研 2025年12月31日06:56 湖北

 研究背景 

在全球能源转型背景下，碱性阴离子交换膜（AEM）作为碱性燃料电池和水电解槽的核心部件，其性能直接影响器件的转换效率与寿命。然而，传统AEM在高碱环境中普遍面临化学稳定性不足的挑战。本研究以细菌纤维素（BC）这一生物大分子为初始模板，通过原位生成纳米SiO?和TiO?颗粒构建无机复合涂层多孔结构，随后接枝苯并咪唑（BI）和季铵盐（QA），并填充具有高离子交换容量的聚离子液体（PIL），制备出一种有机-无机复合阴离子交换膜。该复合膜在80°C下离子电导率高达103 mS cm?1，在80°C、1 M NaOH溶液中浸泡300小时后降解率低于10%，室温下拉伸应力接近70 MPa，综合性能优异，为高性能生物质基AEM的开发提供了新策略。

多孔材料（T-S@BC、QT-S@BC-BI）的制备与表征

• 结构构建：通过溶胶-凝胶法在BC纤维表面原位生长纳米SiO?和TiO?颗粒，形成TiO?-SiO?@BC（T-S@BC）多孔材料，并经冻干处理保持三维网络结构完整性。

• 化学修饰成功验证：通过1H NMR、FTIR和XPS证实，苯并咪唑和季铵盐成功接枝到无机涂层BC表面，BI特征峰（如C=N）和QA特征峰（如C-N?）的出现，为膜提供了碱性稳定性与离子交换位点。

复合膜（PIL/QT-S@BC-BI）的制备与性能研究

• 机械性能显著增强：无机纳米颗粒（SiO?/TiO?）的引入使复合膜最大拉伸应力从16.8 MPa（PIL/BC）提升至92.1 MPa（PIL/T-S@BC）。BI和QA的接枝进一步调节了力学行为，PIL/QT-S@BC-BI的断裂伸长率达到11.6%。

• 热稳定性优异：经TGA测试，PIL/QT-S@BC-BI的初始分解温度达269.1°C，800°C残炭率为54.2%，表明其热稳定性满足碱性水电解槽应用要求。

• 吸水溶胀可控：无机涂层显著降低了膜的吸水率（20°C时从78%降至18%）和厚度溶胀率（从82%降至18%）。BI和QA的引入适度提升了亲水性，室温吸水率增至55.0%，但面积溶胀仍保持较低水平，体现了BC骨架良好的尺寸稳定性。

• 离子交换容量（IEC）提升：季铵化接枝使复合膜的IEC值从1.57 mmol g?1（PIL/BC）显著提升至2.24 mmol g?1（PIL/QT-S@BC-BI），增幅达23.8%，为高离子电导率奠定了基础。

• 离子电导率超高：PIL/QT-S@BC-BI复合膜在80°C、100%相对湿度下，OH?离子电导率超过100 mS cm?1（约103 mS cm?1），是PIL/BC膜的约1.5倍。

• 碱性稳定性突出：在80°C、1 M KOH溶液中加速老化300小时后，PIL/QT-S@BC-BI膜的离子电导率保持率高达90.6%，远优于传统FAA-3膜及早期BC基膜（降解率通常为50–70%）。

 结论与展望