近日，东华大学环境科学与工程学院乔锦丽教授团队在碱性水电解制氢领域取得重要进展，相关成果以“超1000小时寿命的亲水皮肤层改性高性能碱水电解制氢薄型锆基复合隔膜制备新策略”(Porous PVA skin-covered thin Zirfon-type separator as a new approach boosting high-rate alkaline water electrolysis beyond 1000 hours’ lifespan)为题发表在国际电化学领域著名期刊《eScience》上。研究人员通过表面工程协同双调控策略成功开发出具有亲水多孔皮肤层的薄型锆基复合隔膜(V-Zirfon-350)。通过对植入造孔剂含量和分子量的双重调控，在复合隔膜表面构建了具有独特的mm级3D交错型纳-微孔结构，建立了快速离子通道以促进电解质运输，同时有效改善了复合隔膜氢氧化物导电性与气体阻隔性。该论文第一作者为环境科学与工程学院博士生罗希。
（V-Zirfon-350复合隔膜制备流程示意图）
水电解是21世纪制氢领域最有前途的技术。氢作为一种理想的能量载体，具有高热值和能量密度、清洁、无污染的等优点。因此，水电解也被定义为绿色氢的唯一来源。室温下的水电解可分为碱性水电解（AWE）、质子交换膜水电解（PEMWE）和阴离子交换膜水电解（AEMWE）。传统的AWE由于其较低的投资成本和成熟的技术已经商业化几十年， 目前仍然被认为是大规模制氢最可行的方案。
本研究通过表面工程在锆基隔膜的表面浇铸多孔亲水皮肤层策略，制备出新型V-Zirfon薄型复合隔膜(V-Zirfon-350)。通过造孔剂分子量和组成比双重调控，无需额外的交联剂即可构建稳定的亲水皮肤层。深入研究了亲水皮肤层内微孔结构的形态和大小对复合隔膜亲水性/碱吸附特性以及OH-导电性/抗气体交叉性能的影响。研究表明，在60℃条件下，30% KOH电解液的极化特性证实了新型V-Zirfon薄型复合隔膜可以显著降低欧姆电阻。这种薄型V-Zirfon-350隔膜在60 ℃、500 mA/cm2条件下经150 h的加速老化测试，电解槽平均电压保持在1.9 V。进一步对工业标准的AWE，匹配先进电极80 ℃、800mA/cm2条件下可稳定运行300h，平均槽压保持在1.8 V，电压波动仅为86 μV/h。特别值得一提的是，串联两个电解槽（100 X 100 cm2）可获得仅3.5 V的低槽压，并且在模拟苛刻的工况条件下运行超过1300小时。优异的性能说明通过层级多孔亲水皮肤层表面工程，可实现皮肤层内丰富的3D交错层级微纳孔结构和锆基隔膜在纳米/微观尺度上的通孔结构的协同。据我们所知，这是首次在AWE中实现表面修饰的锆基隔膜并且在实际变工况条件下具有上千小时的长寿命优异性能，为薄型锆基复合隔膜的实际应用提供了可靠数据支撑。
（V-Zirfon-350复合隔膜孔径分布、电解质渗透机制示意图以及表面与截面形貌）
论文第一作者罗希告诉记者，科研不仅仅是一项工作，更是一段充满探索、挑战和成长的旅程。坚定的信念和对科学的热爱显得尤为重要。只有持之以恒，耐得住寂寞才能在一次次失败中找到成功的曙光。通过大量阅读文献、参加学术会议和与同行交流，不断更新自己的知识储备，拓宽研究的视野，才能为自己的科研工作注入新的灵感和思路。
（V-Zirfon-350复合隔膜在模拟苛刻工况条件下的优异电解水制氢性能）
该工作通过表面工程成功构建了厚度微米级的具有层级多孔亲水皮肤层的薄型Zirfon基复合隔膜材料（V-zirfon-350），具有高的 KOH 吸收率（>90%）、低的面电阻（~0.2 cm2）和超低的电解质渗透通量密度(0.52 L·cm-2·s-1@0.5 bar)，远优于商用Zirfon UTP500+隔膜。协同高效电极和先进电解槽作用下，V-Zirfon-350隔膜表现出1300 mA/cm2@2.0V的高电流密度。进一步在两室串联的电解槽中，并且模拟苛刻的工况条件连续高低温切换运行超1300h，槽压仅为3.5V。本文为锆基复合隔膜的亲水多孔皮肤层工程、制备技术与应用提供了一种新的策略。该工作得到了国家重点研发计划项目（2022YFE0138900）、国家自然科学基金（21972017）和上海市“科技创新行动计划”基础研究领域重点项目（19JC1410500）的支持。
