氢能作为一种清洁、高效的二次能源，在可再生能源存储与转化及能源结构转型中具有重要作用。水电解是制取绿色氢气的重要途径，其中，双极膜水电解可利用双极膜界面的水解离过程，在膜两侧构建不同的酸碱反应环境，从而实现电极反应条件的独立调控，为高效、灵活的水电解制氢提供了新的技术路径。双极膜通常由阴、阳离子交换层复合而成，然而两层材料在离子传输、吸水和溶胀行为等方面存在差异，容易引发界面相容性不足及长期稳定性下降。而离子交换膜的高传输性能与尺寸稳定性之间往往存在一定制约关系。如何兼顾水和离子的高效传输、膜结构稳定性以及双层界面相容性，仍是高性能双极膜材料发展面临的重要挑战。

近日，理学院化学系钱汇东、赵宏滨研究团队在能源领域顶级期刊《ACS Energy Letters》上发表题为“Triptycene Branched Poly(Isatin-Biphenylene) Electrolytes for Bipolar Membrane Water Electrolyzers”的研究论文。研究团队提出一种基于三蝶烯（triptycene）支化结构调控聚合物自由体积和传输通道的新策略。以相同的聚（联苯-靛红）主链为基础，分别构建阴、阳离子聚合物PIB-QA和PIB-BS，并通过引入刚性三维三蝶烯结构制备支化离聚物PIB-QA-5%和PIB-BS-5%，进一步构筑支化双极膜PIB-Trip5%。三蝶烯结构能够扰乱聚合物链的紧密堆积，增加自由体积并促进连续离子传输通道形成。原子力显微镜（AFM）和分子动力学模拟表明，支化后膜内亲水区域和自由体积均明显增加；脉冲场梯度核磁共振（PFG-NMR）进一步证实其水和离子扩散能力得到显著提升。与此同时，支化结构在提高离子电导率和水吸收能力的同时，仍保持较低溶胀率和良好的尺寸稳定性，其中PIB-BS-5%和PIB-QA-5%在80 ℃下的离子电导率分别达到180.1和143.8 mS cm^-1。

在双极膜构筑及电解性能方面，该团队采用超声喷涂技术，在阴、阳离子交换层之间原位构建纳米SnO₂催化中间层，从而形成界面结合紧密的双极膜结构。PIB-Trip5%的欧姆电阻和水解离电阻分别降低至0.19和0.37 Ω cm²，水解离速率常数达到1.86 s^-1。在60 ℃纯水电解中，其在2.00 V下实现0.70 A cm^-2的电流密度；在非对称酸碱电解体系中，2.00 V下电流密度进一步达到1.50 A cm^-2。采用非贵金属NiFeO_x和NiFeCo电极时，PIB-Trip5%在1.0 M KOH阳极液/纯水阴极液条件下仍可实现1.40 A cm^-2，而商业FumaTech双极膜仅为0.18 A cm^-2。即使将膜厚增至相近的140 μm，其性能仍明显优于商业膜。长期运行测试表明，PIB-Trip5%在60 ℃、0.50 A cm^-2下连续运行200 h，电压衰减速率仅为0.87 mV h^-1，且膜结构保持完整。该研究表明，三蝶烯支化结构能够实现自由体积、离子传输、尺寸稳定性及层间界面的协同优化，为高性能、长寿命双极膜材料的设计及其在绿色氢能领域的应用提供了新的思路。

上海大学硕士研究生姚欣昀为第一作者，导师钱汇东教授、赵宏滨教授为论文共同通讯作者，上海大学理学院化学系为唯一完成单位。本研究得到了国家自然科学基金（22279157）经费的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c01498