相比于酸性或碱性水电解制氢，酸碱两性水电解制氢技术（AAA-WE）可在降低工作电压（理论电势差0.401 V）和能耗情况下制备绿氢，被认为是未来氢气制备的高效方法之一。然而，在该体系中需要一种特定的膜材料，将水分子电解得到的氢离子传输到阴极室进行析氢反应（HER），同时将氢氧根离子传递至阳极室进行析氧反应（OER），有效阻隔氢气和氧气，保持pH梯度，并防止跨膜交叉扩散与酸碱中和等问题。在两性水电解器件中，常用隔膜为双极膜，但其较高的界面电阻往往导致电解过程中过电位较高和能耗过大。

聚苯并咪唑（PBI）具有优异的热化学稳定性和力学性能，且由于其主链上的咪唑结构在不同pH环境中具有两性特征，可作为阴、阳离子固态聚电解质用于传导氢离子、氢氧根离子以及其他离子，现已应用于高温质子交换膜燃料电池、全钒液流电池与碱性水电解制氢等领域。然而，目前所报道的大多数PBI膜则是通过有机溶剂浇铸法形成的致密结构，这极大地局限了膜内离子溶剂持液量与传导性能。近年来，研究学者们利用多聚磷酸（PPA）或者磷酸（PA）作为溶剂制备了具有松散堆积聚合物链段的凝胶态PBI膜，以提高吸收能力和离子传导率。然而，其较低的酸/碱阻隔性能与机械性能制约了凝胶态PBI膜在AAA-WE中使用的可行性与耐久性。因此，亟需探索更为高效的隔膜材料，兼顾高制氢性能（即高离子传导性）与长期稳定性（即低的跨膜交叉扩散和优良的机械性能）。

针对上述关键问题，本篇工作探讨了一种构筑各向异性离子溶剂化膜的新方法，具体创新策略与思路包括：1）利用PPA溶胶-凝胶工艺制备具有多孔层状结构的PBI-Gel膜，以提高酸碱吸收能力和离子迁移能力；2）采用二维极化/一维收缩工艺，使PBI分子链在纳米片层中紧密堆积，从而缓解氢离子与氢氧根离子之间的跨膜交叉扩散现象；3）形成具有各向异性的PBI-aNS薄膜材料，为未来两性电解水制氢技术的进一步发展提供科学指导。

图1. 纳米片组合聚苯并咪唑膜用于高效酸碱两性水电解制氢的概念示意图。

该工作以“Anisotropic Polybenzimidazole Ion-Solvating Membranes Composed of Aligned Nano-Sheets for Efficient Acid-Alkaline Amphoteric Water Electrolysis”为题发表在国际著名期刊《Advanced Energy Materials》上。我院薛立新研究员和浙江工业大学黄菲教授为共同通讯作者。本研究工作得到国家自然科学基金委基金项目（22209147）和中国工程院院士咨询项目（ 2022- DZ -08）的资助完成。

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

通讯作者简介

薛立新：国家特聘专家、中国科学院特聘研究员、浙江省膜分离与水处理协同创新中心副主任、温州大学杏吧视频 瓯江领军人才，温州大学新材料与产业技术研究院副院长，博士生导师。曾经在美国Honeywell、 Philip Morris、Celanese等公司和中国科学院担任高级科研管理人员二十多年，主持高性能高分子膜合成和高分子加工新技术研发等科研项目，发表SCI论文130多篇，申请美国和PCT国际授权发明专利58项，中国专利277项（授权164项）。曾获得中国科技大学亿利达实验科学奖（1986年），中国科学院科技进步三等奖（1989年），AlliedSignal公司专利发明人奖（1999年）和两次菲律普莫里斯技术杰出贡献奖（2003年和2006年）。1999年入选国际专业名人录(International “Who is Who”of Professionals)，2010年入选浙江省“千人计划”，2015年获得中科院宁波材料所最佳论文奖、入选国家“千人计划”和中国科学院特聘研究员, 被提名国际ENI奖；2018年获得中国膜工业协会科技进步一等奖，同年获《Journal of Membrane Science》编委会杰出审稿奖和浙江工业大学海洋学院科研优秀奖，2019年获得中国国家专利优秀奖（2019），2021获得国际先进材料学会科学金奖（IAAM Science Metal）。

黄菲：浙江工业大学膜分离与水科学技术研究院教授。2015年获美国康涅狄格大学博士学位，2017年至2020年为美国南卡罗莱纳大学博士后研究员，2019年入选浙江省海外高层次人才。2020年8月回国工作。长期专注于质子/离子交换膜材料在清洁能源领域的前沿研究和产业化，聚焦在中高温燃料电池、电解水制氢、液流电池等方面，拥有十年海外科研工作和应用器件开发经验, 取得了一系列成果。如曾主导德国巴斯夫公司Celtec系列新一代质子膜的研发，实现高温非水氢燃料电池2年长期稳定运行（衰减速率仅0.6μV/h）。在Adv Energy Mater、Energy Stor. Mater.、J. Mem Sci.、ACS Sustain. Chem. Eng.等国际期刊上发表SCI学术论文30余篇，美国发明专利4件。

第一作者简介

黄泽权：浙江工业大学化学工程学院2021级硕士研究生。主要研究方向为离子交换膜用于碱性水电解、酸碱两性水电解研究与应用。