通过奎宁环阳离子和间隔基优化实现超稳定聚(间三联苯亚烷基)阴离子交换膜

　　为解决阴离子交换膜(AEM)在强碱条件下易降解、导电性不足等问题，研究人员通过奎宁环阳离子(quinuclidinium)功能化和亚烷基间隔基优化，开发出具有超高稳定性的聚芳烃基AEM。所得m-PTP-6-Qui膜在80°C、5 M NaOH中稳定运行1000小时，导电率达146 mS cm?1 ，AEMFC峰值功率密度达1.32 W cm?2 ，AEMWE在2.0 V下电流密度达6.45 A cm?2 ，为可再生能源转换技术提供关键材料支撑。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，阴离子交换膜燃料电池(AEMFC)和水电解槽(AEMWE)因其可使用非贵金属催化剂、反应动力学优越等特点，成为绿氢制备与利用的核心技术。然而，传统阴离子交换膜(AEM)在高pH、高温环境下易发生氢氧根诱导降解，且由于氢氧根离子迁移率低，其导电性远低于质子交换膜。更棘手的是，季铵盐基团易通过霍夫曼消除(Hofmann elimination)或亲核取代反应分解，而聚合物骨架的芳醚键断裂也会加速材料失效。这些瓶颈严重制约了AEM器件的长期稳定性，亟需开发兼具高碱稳定性和高效离子传输的新型膜材料。

针对这一挑战，中国科学技术大学的研究团队设计了一种基于奎宁环阳离子功能化的聚(间三联苯亚烷基)(m-PTP-Qui)阴离子交换膜。通过优化亚烷基间隔基长度(丁基、戊基、己基)，他们成功构建了具有纳米相分离结构的超稳定膜材料，相关成果发表于《Journal of Membrane Science》。研究采用Friedel-Crafts聚羟基烷基化反应合成溴代烷基化前驱体m-PTP-n-Br，再通过季铵化反应引入奎宁环阳离子，最终通过溶液浇铸法制备系列AEM。

材料合成与表征
通过核磁共振、凝胶渗透色谱等技术确认了聚合物结构，测得m-PTP-6-Qui的离子交换容量(IEC)为1.80 mmol g^?1
。小角X射线散射(SAXS)显示己基间隔基促进形成3.2 nm的亲水域，为离子传输提供连续通道。

性能测试结果
电化学测试表明，m-PTP-6-Qui在80°C下导电率达146 mS cm^?1
，远超同类材料。加速老化实验证实，该膜在5 M NaOH、80°C下处理1000小时后，导电率与化学结构均未发生显著变化，归因于：(1)全碳骨架抗碱侵蚀；(2)奎宁环扭曲构象抑制霍夫曼消除；(3)优化间隔基长度平衡溶胀与机械强度。

器件应用验证
在氢氧燃料电池中，m-PTP-6-Qui组装的AEMFC峰值功率密度达1.32 W cm^?2
；在水电解槽中，2.0 V电压下电流密度达6.45 A cm^?2
，且能在2.0 A cm^?2
电流下稳定运行1000小时，创下非铂族金属(PGM-free)电解槽的耐久性纪录。

该研究通过分子设计实现了AEM材料稳定性与导电性的协同提升，其创新性体现在三方面：首先，选用无杂原子的聚芳烃骨架避免主链断裂；其次，奎宁环阳离子的空间位阻效应显著延缓降解；最后，间隔基工程优化了膜微观形貌。这项工作为下一代电化学能源转换装置提供了材料基础，尤其对推动绿氢大规模应用具有重要价值。研究团队在讨论中指出，未来可通过引入更多亲水基团进一步提升低湿度性能，并探索该材料在二氧化碳电还原等新兴领域的应用潜力。