本研究首次设计并构建了一种膨胀聚四氟乙烯（e-PTFE）增强的聚（亚芳基-奎宁盐）型阴离子交换膜（R-PTPQui），成功解决了阴离子交换膜电解水（AEMWE）技术中阴离子膜机械性能差、氢气交叉严重和水合状态下尺寸稳定性不足等瓶颈。该增强策略赋予膜材料卓越的综合性能：提高了AEM的力学强度，使其兼具56 MPa的高拉伸强度与55%的断裂伸长率；同时，e-PTFE骨架有效抑制了AEM的面内溶胀率并提升了气体阻隔性，使氢渗透率显著低于自支撑膜（PTPQui）和商用质子交换膜Nafion 115，且在强碱条件下展现出超高的化学稳定性。

基于此膜组装的电解槽在搭配非贵金属阳极催化剂时，获得了4.9 A·cm⁻²@2.0 V的高电流密度、98.6%的法拉第效率；且在80 °C、2 A·cm⁻²条件下持续运行500 h表现出优异的耐久性与低性能衰减。此外，由于增强策略显著提升了膜的韧性和强度，确保了其在电解水运行中，即使位于电极边缘的应力集中区域也能维持薄膜的完整性，确保了器件的长期运行安全。该工作为发展高性能、高安全性的工业级绿氢制备装备提供了新材料与设计路径。

凭借低成本、高性能、可与可再生能源直接耦合及带压运行等突出优势，阴离子交换膜电解水技术近年来受到学术与工业界的广泛重视，被视为极具前景的绿氢制备技术。然而，与已完成大规模多场景应用验证的质子交换膜（如Nafion^TM）相比，阴离子交换膜仍处于发展初期。为实现电解槽的高效、长期与安全运行，理想的阴离子交换膜需满足一系列关键性能指标，包括优异的力学性能、较低的平面溶胀率、高离子电导率、良好的化学稳定性（尤其是碱稳定性）以及卓越的氢气阻隔能力。

基于上述背景，合肥工业大学魏海兵和丁运生团队联合安徽聚石氢友科技有限公司，开发了一种增强型阴离子交换膜（R-PTPQui）。该膜利用膨胀聚四氟乙烯（e-PTFE）层对碱稳定性优异的聚（三联苯-奎宁盐）型离聚物（PTPQui）进行物理增强，构建了以e-PTFE为中间层、离聚物均匀分布于两侧的“三明治”结构。SEM和EDS图像表明了离聚物渗透到e-PTFE层中并均匀分布，从而确保离子传输通路的连续贯通(图1)。

图1 增强膜的化学结构和形貌。(a) PTPQui的化学结构；(b) PTPQui离聚物溶液；(c) e-PTFE的化学结构及表面SEM图像；(d)增强膜R-PTPQui照片；(e) R-PTPQui膜表面SEM和(f)截面SEM图像以及R-PTPQui膜中F、Cl和N元素分布图。

对增强膜的水吸附行为进行了表征（图2）。结果表明，增强层的引入显著抑制了AEM的平面溶胀。在80 °C下，PTPQui膜的平面溶胀率高达26%，而增强型R-PTPQui膜则降至18%。值得注意的是，R-PTPQui膜在水中的溶胀行为呈现出明显的各向异性，其平面（in-plane）溶胀率仅为通面（through-plane）溶胀率的一半。这种特性有助于其在电解水过程中与催化层形成更为牢固的界面。

图2 膜的水吸附与离子传导特性。R-PTPQui与PTPQui膜的(a)平面溶胀率；(b)通面溶胀率；(c)通面与平面溶胀率的比值；(d) 吸水率；(e) IEC归一化吸水率；(f) OH⁻电导率。

随后系统研究了增强层对AEM力学性能与氢气阻隔性能（图3）。通过引入柔性多孔e-PTFE作为增强层，R-PTPQui膜实现了拉伸强度、断裂伸长率和韧性的大幅度提高，这归因于e-PTFE基底有效承受应变并传递内部应力。在氢气渗透测试中，更薄的R-PTPQui膜比原始PTPQui膜和商用质子交换膜Nafion 115表现出更优异的氢气阻隔性能。这证实了该增强策略在提升AEM气体阻隔性、抑制氢气交叉方面的有效性。

图3 膜的机械性能与气体阻隔特性。(a) 膜的应力-应变曲线和(b)膜的韧性；(c) R-PTPQui（50 µm）、PTPQui（55 µm）与PEM（Nafion 115,127 µm）三种离子膜在不同氢气压力下的氢气渗透速率。

文章展示了增强膜R-PTPQui在电解水中的应用(图4)。测试表明，膜中非离子性的e-PTFE增强层虽在一定程度上增加了膜电极的欧姆电阻，导致部分电解性能牺牲，但却换来了更为关键的综合优势。基于R-PTPQui的电解槽实现了高达98.6%的法拉第效率，并显著降低了阳极侧氧气中的氢气含量。这对于提升电解水系统的产氢纯度与运行安全性具有重要的意义。 

图4 电解水性能。(a)基于PTPQui与PTPQui的电解槽的极化曲线；(b)1 A·cm−2电流密度下的电化学阻抗谱；(c) 80 ℃下R-PTPQui与PTPQui基电解槽在0.10–1.25 A·cm−2电流密度范围内的氧中氢含量；(d)在1 A·cm−2电流密度下的理论与实测氢气流量测试结果；R-PTPQui基电解槽的在不同温度下的(e)极化曲线和(f)电化学阻抗谱。

进一步地，该研究还评估了电解槽在80 °C、2 A·cm−2极端工况下的耐久性（图5）。结果表明，基于R-PTPQui的膜电极展现出更优异的稳定性，且R-PTPQui基膜电极的电压衰减率（280 μV·h−1）低于PTPQui MEA（354 μV·h−1），在运行500 h后其电化学性能的衰减也更小。重要的是，得益于e-PTFE层的增强作用，R-PTPQui膜表现出优异的机械稳定性，确保了其在电解水运行中，即使位于电极边缘的应力集中区域也能保持其薄膜完整性。从而使得相比较于PTPQui逐渐升高的氧中氢，R-PTPQui基电解槽在运行过程中氧中氢含量始终维持于稳定且较低的水平。

图5 电解水耐久性测试。(a) R-PTPQui与(c) PTPQui膜组装的电解水在80 °C、2 A·cm−2下的耐久性测试及氧中氢含量；(b) R-PTPQui与(d) PTPQui膜组装的电解槽在耐久性测试前后的极化曲线；(e) AEMWE、膜电极边缘及其应力集中点示意图；(f)500 h电解水测试后R-PTPQui与PTPQui膜及其对应阴极催化层照片。

博士研究生汪涛为该论文的第一作者，魏海兵教授为通讯作者，丁运生教授为共同通讯作者，安徽聚石氢友科技有限公司的马孟祥高工在增强膜制备方面也作出重要贡献。

Citation

Wang, T.; Ma, M. X.; Chen, W. J.; Zuo, Y. F.; Wei, H. B.; Ding, Y. S. Reinforced poly(arylene quinuclidinium) membranes for anion exchange membrane water electrolysis. Chinese J. Polym. Sci. https://doi.org/10.1007/s10118-025-3450-3DOI：10.1007/s10118-025-3450-3