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09
2026
-
09
AM: 拓扑调控双重堆积破解阴离子交换膜性能矛盾
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背景
阴离子交换膜水电解（AEMWE）兼具碱性电解可使用非贵金属催化剂的潜力和膜电解槽紧凑的器件结构，而其进一步发展高度依赖兼具高OH⁻电导率与长期稳定性的阴离子交换膜。然而，这两项性能往往存在内在矛盾：增加自由体积和吸水量能够形成更充分的水化离子通道、促进OH⁻迁移，却容易导致聚合物链堆积松散和膜体积过度膨胀；增强链间作用、提高堆积致密度虽然能够抑制溶胀，却又会压缩自由体积并阻碍连续离子通道形成。因此，传统设计通常是在“疏松高传导”和“致密高稳定”之间寻找折中。如何在分子尺度重新组织聚合物链，使有序堆积与连通自由体积同时存在，从结构源头协调离子传输与尺寸稳定性，是高性能AEM设计中的关键问题。
创新
近日，中国科学技术大学徐铜文院士、葛晓琳教授团队将具有刚性三重对称结构的三亚苯（TP）单元引入poly(biphenyl piperidinium)主链，提出一种分子拓扑调控聚合物堆积的新策略。分子模拟与结构表征发现，TP独特的几何拓扑并没有使芳香链段形成单一的致密π–π堆积，而是诱导出“紧密堆积+倾斜堆积”两种构型共存的双重堆积模式：前者增强分子有序性和链间内聚力，为膜提供结构稳定性；后者则避免聚合物过度致密化，在有序结构之间保留相互连通的自由体积和水化区域，从而形成连续的OH⁻传输路径。也就是说，该设计不是简单增加微孔或提高交联程度，而是通过同一拓扑单元产生两种互补的分子堆积状态，同时满足“稳结构”和“留通道”两个需求。最终，优化后的PTBP-15膜在80 °C下实现178.39 mS cm⁻¹的OH⁻电导率，而溶胀率仅约10%；用于AEMWE时，在1.8 V、80 °C下达到3.163 A cm⁻²，并在1 A cm⁻²下稳定运行超过4000 h，电压衰减率仅0.0192 mV h⁻¹。
意义
这项工作的核心意义在于，它将阴离子交换膜的结构设计进一步从“调化学组成、造微孔、做交联”推进到“利用分子拓扑编程聚合物链如何堆积”。传统思路通常把有序致密堆积和高自由体积看作相互竞争的结构特征，而这里的双重堆积证明，两者并非必须二选一：通过合理设计刚性构筑单元的几何形状，可以让不同堆积构型在同一聚合物中协同存在，使“紧密区域负责稳定、倾斜区域保留自由体积”，进而将分子拓扑、链堆积、纳米相分离、水化行为和OH⁻传输建立起连续的结构–性能关联。更重要的是，该膜在强碱环境中经过累计数千小时处理仍保持较高电导率，并最终转化为超过4000 h的AEMWE稳定运行，说明这种分子尺度结构设计能够真正延伸至器件性能。因此，该研究提供的不只是又一种高性能AEM，而是一种更具普适性的设计理念：通过“拓扑→堆积→自由体积/有序度→水化离子通道”的多尺度调控，在分子层面协调传导与稳定性，为燃料电池、水电解及其他离子膜电化学体系中的传输–稳定性权衡提供了新的解决路径。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/ZQM3GFNFrybjLSDe9aeSRw
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