膜技术前沿丨深圳理工大学李南文教授团队《Adv. Membr.》论文:定制氢键作用共混离子溶剂化膜可实现高效的碱性电解水性能

走进膜科学

———     ———

聚吲哚联苯离子溶剂化膜（POBP ISMs）表现出卓越的化学稳定性，但其有限的亲水性和稀疏的吲哚基团导致电解质吸收受限且离子导电率不理想，从而限制了其在碱性水电解（AWE）中的表现。深圳理工大学李南文教授团队在Advanced Membranes期刊发表了题为“Tailored hydrogen-bond engineering blend ion-solvating membranes enable efficient alkaline water electrolysis”的文章，通过将高功能密度聚苯并咪唑（NPBI）与POBP混合，并在POBP的吲哚与NPBI的吡唑之间设计出定制的内部氢键来增强离子传输，同时保持稳定性。经过多尺度表征验证的共混膜具有均匀微观结构、高机械强度和高离子导电率，优异的碱性稳定性和抗氧化稳定性。这项工作强调了分子级氢键工程在设计共混膜中的关键作用，为高效且长寿命的AWE提供了制备高性能膜的可行路径。

1.共混膜的制备

采用溶液浇铸法制备共混膜（图1）。将合成后的POBP聚合物和NPBI聚合物（图1a）分别溶于DMAc，于60 ℃搅拌制得10 wt%均一溶液。将两溶液温和搅拌混合，通过调节POBP与NPBI溶液的摩尔比调控膜组成。混合液经刮刀涂覆于洁净玻璃基底，80 ℃干燥24 h去除溶剂。将自支撑膜置于去离子水中剥离，充分漂洗后，于80 ℃、6 M KOH溶液中浸泡48 h完成去质子化，获得一系列不同组成的共混离子溶剂化膜。所得共混膜命名为POBP-X（X=0、20、50、80、100，对应POBP摩尔分数），厚度均为40±5 μm。

图 1. 含定制化氢键共混离子溶剂化膜的制备示意图

2.膜的表征

采用NMR与FT-IR对共混膜化学结构进行表征。如图2a所示，在芳香族质子化学位移7.6–9.2 ppm范围内，出现NPBI中萘环与苯环质子的特征峰（7.6、7.7、8.3和9.4 ppm）和POBP的特征峰（6.98、7.25和7.58 ppm）。FT-IR光谱（图2b）进一步证实：POBP中羰基的伸缩振动峰（1603 cm^-1与1715 cm^-1）强度随POBP-X中NPBI含量增加而显著降低。通过核磁特征峰积分计算，共混膜的实际组成与理论投料比一致。当POBP与NPBI摩尔比达50:50时，酰胺N–H质子与咪唑N–H质子的信号均消失，证实了强分子间氢键作用的形成（图2c）。如图2d所示，POBP含量为20%和80%时，水峰位于3.41 ppm；而当比例为50%时，水峰明显移至3.49 ppm。该位移反映了氢键诱导的水分子重分布，使其从自由态转变为束缚态。因此，优化的共混比例不仅促进了有效氢键网络的形成，更表明可通过调节POBP/NPBI比例精细调控氢键作用。

图 2. 化学结构以及氢键表征

采用SEM与AFM对共混膜的微观结构特征进行表征。SEM图像（图3a–d）显示，在整个共混比例范围（20–100%）内，膜表面均呈现均匀、致密且无缺陷的形貌，证实了POBP与NPBI之间优异的相容性。AFM分析（图3e–f）进一步揭示了更精细的表面形貌演变：在POBP-50等摩尔比例下，Ra值（16.2×10⁻³ nm）显著低于POBP-20（32.2×10⁻³ nm）和POBP-80（37.4×10⁻³ nm）。这一现象归因于前述NMR已证实的两组分间形成的多重氢键网络，该网络促进了聚合物链段的紧密堆砌，使表面平整度提升约50%。这种通过氢键调控实现的微观结构优化，为后续提升离子传输性能与结构完整性奠定了重要基础。

图3. 不同组成共混膜的形貌图

3.共混膜的化学稳定性能

POBP-X共混膜的碱性稳定性在严苛条件下（8 M KOH，80 ℃）进行了测试（图4）。具有优化氢键结构的POBP-50膜在运行8000小时后仍保持初始电导率的95%，而POBP-20和POBP-80在相同条件下电导率衰减均超过15%。NMR谱图分析证实，即使在8000小时后也未出现明显的峰位移或分裂，表明共混体系内的芳香骨架和氢键网络在严苛碱性环境下有效维持了分子尺度的结构完整性。

抗氧化稳定性是离子溶剂化膜在长期电解水系统中的另一关键因素。将膜浸入80 ℃的芬顿试剂中，通过厚度与质量的变化表征其抗氧化性能。如图5所示，具有致密氢键网络的POBP-50共混膜表现出卓越性能：120小时后仍保留70%的初始质量和50%的初始厚度，其稳定性约为POBP-0膜的6倍。总之，除了POBP芳香结构固有的抗氧化性外，POBP-50中富含氢键的交联网络提供了多功能防护：物理阻隔自由基、化学淬灭自由基以及稳定聚合物链。这种协同作用使抗氧化稳定性提升6倍，确立了氢键工程作为构建长效耐用离子溶剂化膜的强有力策略。

图4. 碱性稳定性测试：原始和老化各组成共混膜的电导率（a）和 NMR光谱（b-d）变化

图5. 抗氧化稳定性测试：原始和老化各组成共混膜的质量（a）和厚度（b）变化

4.电解水性能

在电解水中，优化后氢键共混膜在2.8 V下实现了8 A cm-2的电流密度，优于商用Zirfon（1.6 A cm^-2）和纯POBP（2.4 A cm^-2）。此外，在动态电流循环（0.5-1.5 A cm^-2）下POBP-50保持稳定运行超过600小时而不会退化，化学结构和机械性能保持恒定（图6）。可见，POBP-50膜协同优化了离子传输、气体阻隔性能和界面稳定性，实现了高效的高电流密度运行。这种优异的动态耐久性源于氢键网络，它提供了高机械强度和尺寸稳定性。

图6. 共混膜的电解水性能

5.总结与展望

本研究以氢键工程为核心策略，通过共混POBP与NPBI开发出系列高性能离子溶剂化膜。借助分子设计，在吲哚（POBP）与咪唑（NPBI）基团间构建了定制化氢键网络，在提升离子传输效率的同时保持优异化学稳定性，突破了膜材料长期存在的“传导-稳定”权衡瓶颈。该工作确立了定制化POBP-NPBI网络的氢键工程策略，为先进碱性电解水提供了兼具高效率、强机械性与长效稳定性的膜材料设计范式。

本文以“Tailored hydrogen‑bond engineering blend ion-solvating membranes enable efficient alkaline water electrolysis”为题发表在Advanced Membranes期刊，第一作者为山西师范大学胡旭，通讯作者为深圳理工大学李南文教授，山西师范大学胡旭以及中科院山西煤化所胡彬。该工作得到了国家自然科学基金项目（Grant No.22505146,）和山西省基础研究项目（Grant No. 202503021212215）的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.advmem.2026.100236

本研究的先进性：

本研究利用氢键工程策略，通过共混聚(吲哚联苯)（POBP）与高功能密度聚芳基吲哚（NPBI），在分子层面构建了吲哚-咪唑定制化氢键网络，成功突破了离子膜“高传导-高稳定”难以兼得的长期瓶颈。优化后的POBP-50膜兼具均一致密微观结构、优异力学性能及高离子电导率。其碱性稳定性超8000小时，抗氧化稳定性较纯膜提升6倍。在6 M KOH电解体系中，电流密度达分别为商业Zirfon膜和纯POBP的5倍和3.3倍，且在动态工况下稳定运行600小时无衰减。

This study employs a hydrogen-bond engineering strategy by blending POBP with high-functional-density NPBI, constructing a customized indole-imidazole hydrogen-bond network at the molecular level. This successfully breaks the long-standing bottleneck of simultaneously achieving both high ionic conductivity and exceptional stability in ion-solvating membranes. The optimized POBP-50 membrane features a homogeneous microstructure, excellent mechanical properties, and high ionic conductivity. It demonstrates over 8000 h of alkaline stability and a sixfold improvement in antioxidant stability compared to the pure membrane. In a 6 M KOH electrolysis system, it achieves a current density 5 times and 3.3 times higher than that of the commercial Zirfon and pure POBP, respectively, while maintaining stable operation for over 600 h under dynamic conditions without degradation.

第一作者：

胡旭 博士

胡旭，博士，硕士生导师，山西师范大学讲师。2023年毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所，获博士学位。主要研究方向为功能高分子膜材料开发和资源能源转化。研究成果以第一或通讯作者身份在Nat. Energy, Chem. Eng. J., J. Membr. Sci., Adv. Membr.,等国际学术期刊上发表。

通讯作者：

胡彬 博士

胡彬，博士。2024年毕业于中国科学院山西煤炭化学研究所，获博士学位。主要研究方向为离子交换膜材料开发和电解水应用研究。研究成果已在J. Mater. Chem. A, J. Membr. Sci., Adv. Membr.,等国际学术期刊上发表。

李南文 教授

李南文，深圳理工大学材料科学与能源工程学院长聘教授，博士生导师。2009年在中科院长春应用化学研究所获得有机化学博士学位。先后在德国、加拿大和美国从事“洪堡学者”、博士后等研究。2014年底回国于中国科学院山西煤化所独立开展新能源、CO2分离捕集相关的离子交换膜、气体分离膜及膜材料的研究工作，J. Membr. Sci.国际编委。在国际知名期刊Nat. Energy （两篇）、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Membr. Sci.等学术期刊共230余篇，申请发明专利40余项；先后主持/承担了国家科技重大专项、基金委重点项目及面上、Shell前瞻、企业重大横向开发等项目20余项；培养硕士、博士（含联合培养）超40余人；实现了燃料电池高温质子交换膜、电解水制氢碱性离子膜等多项技术知识产权转让及产业化。