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）。

  近日，浙江工业大学的黄菲教授与温州大学的薛立新研究员，通过二维极化/一维收缩工艺制备了各向异性聚苯并咪唑离子溶剂化膜（ISM）。该膜是由数百片约28 nm厚的纳米片有序定向地紧密堆叠而成，不仅具有优异的双离子传输特性（氢离子和氢氧根离子），还兼具良好的酸/碱阻隔能力和坚固的力学性能，有望成为新一代酸碱两性水电解制氢装置系统所用的高性能隔膜，提高绿氢制备效率。

图1. 各向异性聚苯并咪唑离子溶剂化膜制备流程图。

图2. PBI-aNS、PBI-Gel、PBI-Dense膜的微观形貌对比分析。

图3. PBI-aNS离子传导率与其他代表性PEMs、AEMs、和ISMs膜的性能对比。

  氢离子和氢氧根离子跨膜交叉速率会严重影响酸碱两性水电解器件的运行性能与稳定性。PBI-Gel具有较高的孔隙率，因此其跨膜离子渗透率最高，氢离子交叉速率为63 nmol min^?1 cm^?1，氢氧根离子交叉速率为471 nmol min^?1 cm^?1。反之，数百层定向紧密堆叠的PBI纳米片使PBI-aNS膜的氢离子交叉速率（9 nmol min^?1 cm^?1）和氢氧根离子交叉速率（56 nmol min^?1 cm^?1）大幅降低。此外，在酸碱两性跨膜中和测试中，也可以看出PBI-Gel在10个小时后已无法保持阴阳两室之间的pH梯度，PBI-aNS则可有效减缓这一问题。综上，PBI-aNS膜在双离子传输特性（氢离子和氢氧根离子）和酸/碱阻隔能力之间呈现出良好的平衡关系，在酸碱两性水电解制氢中具有应用潜力。

图4. PBI-aNS膜与其他代表性隔膜材料的AAA-WE运行性能对比。

  以上研究成果以题为“Anisotropic Polybenzimidazole Ion-Solvating Membranes Composed of Aligned Nano-Sheets for Efficient Acid-Alkaline Amphoteric Water Electrolysis”发表在国际知名期刊《Advanced Energy Materials》，文章第一作者为浙江工业大学膜分离与水科学技术研究院黄泽权。通讯作者为温州大学薛立新研究院和浙江工业大学黄菲教授。

  论文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303481