聚（吲哚联苯）离子溶剂膜实现宽温域高效电解水制氢【科学指南针·计算支持·2025】

中科院山西煤化所李南文研究员团队在《Nature Energy》发表创新研究成果，开发基于聚（吲哚联苯）离子溶剂膜（POBP-ISM）的新型电解水制氢技术，实现宽温度范围（-35至120°C）高效稳定制氢。科学指南针为本研究提供密度泛函理论计算支持，助力材料筛选与性能优化。

研究背景与电解水技术挑战

电解水技术作为可再生能源储存和转化的重要途径，面临传统技术局限性的严峻挑战。现有电解水技术各存瓶颈，亟需开发新型离子膜材料突破性能限制。

​技术瓶颈分析：​​

• PEM电解槽依赖贵金属催化剂，成本高昂

• AEM电解槽高温稳定性差，60°C以上寿命严重衰减

• 传统离子溶剂膜长期稳定性不足

• 缺乏宽温域适应性的高效电解水技术

创新方法：吲哚结构设计与稳定性优化

研究团队通过理论计算指导的分子设计，开发具有高稳定性的吲哚/KOH移动离子对结构，突破传统离子膜材料限制。

​技术突破要点：​​

• DFT计算筛选出高LUMO值吲哚结构（-0.692至-1.125 eV）

• 吲哚结构耐碱稳定性显著优于传统咪唑基团

• 移动离子对设计避免固定基团降解问题

• 超酸缩聚结合Bronsted反应实现精确合成

图1  （a）DFT 计算模型小分子能值和（b）小分子模型化合物碱稳定性测试

理论计算与分子筛选

科学指南针支持的密度泛函理论计算系统评估不同分子结构的电子特性和稳定性，为材料设计提供理论指导。

​计算研究发现：​​

• 吲哚结构LUMO值高于咪唑，抗氧化攻击能力强

• 分子轨道能级分析预测优异化学稳定性

• 静电势分布优化离子传输路径

• 理论预测与实验验证高度吻合

材料合成与结构表征

通过精确控制的合成工艺成功制备POBP-ISM膜材料，系统表征证实其化学结构和物理性能。

​结构特征验证：​​

• NMR和XPS证实吲哚-钾离子移动功能基团

• FTIR显示特征官能团成功构建

• 正交实验确定6 M KOH为最优电解质浓度

• 气体阻隔性能优于商业化Nafion膜

图2  POBP-ISMs的合成、制备和基本物化性能表征

化学稳定性与耐久性评估

系统评估POBP-ISM膜在极端条件下的化学稳定性，展现卓越的耐久性能。

​稳定性卓越表现：​​

• 8 M KOH、80°C条件下稳定性超过15000小时

• Fenton试剂中抗氧化稳定性达1000小时

• 显著优于咪唑类材料（200小时）

• 宽pH范围内保持结构完整性

图3  POBP-ISMs离子电导率和多种尺度下的化学稳定性

电化学性能与工况适应性

全面评估POBP-ISM电解槽在不同工况下的电化学性能，展示优异的适应性。

​性能优异表现：​​

• 工作温度范围覆盖-35至120°C

• 瞬态响应时间小于1秒

• 宽浓度范围（2-6 M KOH）保持高效运行

• 压力适应性达0-5 bar

• 膜面电阻优化，能耗显著降低

图4  基于POBP-ISMs的膜面电阻和电解水性能评估

长期运行与系统集成

通过长期运行测试验证POBP-ISM电解槽的实际应用性能，展示技术可行性。

​耐久性验证结果：​​

• 2500小时连续运行性能稳定

• 与非贵金属催化剂兼容性良好

• 多工况下保持高效制氢性能

• 系统集成简化，成本显著降低

技术比较与优势分析

与传统电解水技术对比，POBP-ISM技术展现综合性能优势。

​技术优势突出：​​

• 温度适应性超越PEM和AEM技术

• 低温启动性能优于传统AWE技术

• 非贵金属催化剂实现低成本运行

• 综合性能媲美先进PEM电解槽

图5 POBP-ISMs的原位稳定性以及与文献对比

总结与展望

本研究开发的POBP-ISM电解水技术为解决当前电解水制氢领域的关键挑战提供创新解决方案。

​创新价值总结：​​

• 理论计算指导的分子设计实现材料突破

• 移动离子对机制解决固定基团降解难题

• 宽温域运行为可再生能源适配提供可能

• 科学指南针计算支持为材料优化提供关键支撑

​应用前景：​​

• 为绿色氢能大规模生产提供新技术路径

• 推动电解水技术与可再生能源深度融合

• 为其他电化学能源技术提供材料设计借鉴

• 促进氢能产业降本增效和规模化发展

论文信息：Nature Energy, 2024, 9, 401
DOI：10.1038/s41560-023-01447-w

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