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绿氢是推动能源转型和实现深度脱碳的关键载体。阴离子交换膜电解水制氢技术因兼具高效率和低成本潜力而备受关注，但其大规模产业化仍受限于关键膜材料：一方面，膜在强碱环境下易发生化学降解；另一方面，高性能膜的合成通常依赖大量超强酸，带来高成本以及放大生产中的安全和环保压力。

近日，西湖大学孙立成团队围绕这一关键问题，设计并合成了一种新型超稳定阴离子交换膜PAMQ，实现了膜材料高稳定性、高性能与可规模化制备的协同突破。

相关研究以“Scalable superacid-reduced synthesis of ultrastable anion exchange membrane (PAMQ) for water electrolysis”为题，作为封面文章发表于Science Bulletin 2026年第15期。西湖大学博士研究生尹利强、助理研究员任荣博士为文章的共同第一作者，中国科学院院士、西湖大学理学院化学讲席教授、西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心主任孙立成为文章通讯作者。

1. 提出低超强酸合成新策略：通过引入高反应活性的醛基奎宁单体，显著降低膜材料合成过程中对超强酸的依赖。

2. 实现超高碱稳定性：新型悬挂奎宁基PAMQ膜在强碱高温条件下表现出极优异的长期稳定性。

3. 完成从材料到器件的放大验证：不仅在单电池中表现优异，还成功应用于千瓦级电解堆，展示出产业化潜力

随着风能、光伏等可再生能源的快速发展，如何将波动性电能高效转化为可储存、可运输的能源载体，成为能源转型的重要课题。氢能作为一种清洁、高效能源载体，是实现碳中和目标的关键路径。利用可再生能源驱动的电解水制氢技术，特别是阴离子交换膜电解水（AEM-WE），因兼具碱性电解水的无需使用贵金属催化剂和质子交换膜电解水高效紧凑的特点而备受关注。但当前AEM-WE仍面临两个核心瓶颈：一是膜材料在高碱条件下容易降解，寿命不足；二是部分先进膜材料虽然性能优异，却依赖大量三氟甲磺酸等超强酸进行聚合，不仅推高成本，也增加了合成和放大的难度。如何同时解决“稳定性”和“可制造性”问题，是推动AEM-WE从实验室走向工业应用的关键。

针对上述挑战，研究团队提出了一种新的分子设计策略：采用醛基官能化奎宁环单体，合成出聚芳基甲基奎宁阴离子交换膜PAMQ。这一设计一方面利用醛基单体更高的反应活性，显著减少了合成中超强酸的使用；另一方面，通过构建悬挂结构的奎宁环阳离子结构，有效提升了膜在强碱环境中的耐久性。

实验表明，PAMQ兼具高离子传导能力、低溶胀和优异机械稳定性。在苛刻碱性条件下，该膜在10,000小时测试后几乎没有降解，表现出目前同类膜材料中领先的稳定性水平。进一步将其应用于非贵金属电解水器件后，PAMQ在单电池和千瓦级电解堆测试中均展现出高性能与长寿命。更重要的是，团队进一步完成了千瓦级电解堆验证。这说明PAMQ不仅是一种“实验室里好看”的高性能材料，更具备向实际绿氢装备转化的现实潜力。与此同时，团队还实现了公斤级放大合成和卷对卷成膜，为后续产业化制造奠定了基础。

总体而言，这项工作打通了从分子设计、材料制备、器件验证、放大制造的完整链条，为高性能阴离子交换膜的工业化开发提供了新思路，也为下一代低成本绿氢生产装备的发展提供了关键材料支撑。

图1. PAMQ阴离子交换膜的构建策略

该研究通过一种分子工程策略应对这些挑战，该策略利用醛基功能化的奎宁单体合成PAMQ（见图1）。将刚性且抗E2消除反应的奎宁铵阳离子与醛基相结合，可以利用了醛基的高反应活性，实现超强酸用量减半的同时，通过侧链架构策略进一步缓解奎宁铵的环张力，以增加AEM的碱稳定性。

碱性稳定性是决定AEM寿命的关键因素，该研究对PAMQ的碱性稳定性进行了定量评估。将PAMQ在80 °C下1 mol L⁻¹ KOH溶液中进行非原位浸泡，¹H NMR定量分析显示，PAMQ经过10,000 h后离子损失率仅为1%，且离子电导率基本保持恒定（见图2a），是一款碱稳定性超高的AEM。指数拟合结果显示，其半衰期（t_1/2）为693,147 h，10%的衰变发生在105,360 h。在AEM-WE的实际应用中，为简化装置并保持氢气干燥，阴极侧通常采用干法运行。然而，这导致阴极界面处形成局部高碱浓度环境，结合器件运行所需要的高温条件，使得AEM的降解机制主要以E2消除反应为主。因此，该研究进一步将PAMQ置于更严苛的条件（90 ℃，5 mol L⁻¹ KOH）下进行长时间老化测试，分别浸泡40、80、120和160天。在加速条件（5 mol L⁻¹ KOH，90 °C）下，PAMQ仍能表现出卓越的稳定性。如图2b所示，¹H NMR未检测到指示E2消除反应的烯烃双键信号（4.80–6.80 ppm）。无醚主链表现出对OH⁻介导的C–H断裂的完全抗性，如标记为“a-H”的方框所示。

图2. PAMQ在碱性溶液中的稳定性测试结果。（a）PAMQ在碱性耐久性测试，在1 mol L⁻¹ KOH，80 °C条件下浸泡10,000小时期间的剩余阳离子含量和OH⁻电导率（90 °C）。（b）在90 °C下浸入5 mol L⁻¹KOH溶液0、40、80、120和160天后的核磁谱图。（c）PAMQ在90 °C下浸入5 mol L⁻¹ KOH溶液时，离子损失率随时间的变化。（d）可能的降解机制以及通过亚甲基S_N2-1和甲基途径观察到的PAMQ降解产物。（e）PAMQ与其他先进AEMs的剩余阳离子含量随时间变化及半衰期比较。

因此，侧挂的奎宁环鎓结构抑制了通常在高温和高碱浓度下占主导地位的E2降解，将降解主要导向S_N2途径。通过以芳基区域的12个氢原子作为参考峰，比较加速条件前后甲基位置的积分峰面积，定量确定了OH⁻优先进攻空间可及的S_N2位点的比例。定量¹H NMR分析（图2c，d）证实了OH⁻优先进攻空间可及的甲基S_N2位点。这些结果表明，在加速条件下，S_N2是观察到的主要降解途径。如图2e所示，在相同的碱性条件（5 mol L⁻¹ KOH，90 °C）下，PAMQ表现出优于多种广泛研究的含季铵基团聚芳香族AEM的稳定性，这些材料包括聚芳基哌啶（PTP）、聚芳基亚烷基三甲基铵（PATA）、聚芳基甲基哌啶（PAMP）以及聚芳基奎宁（PAQ）。

图3. PAMQ在阴离子交换膜水电解（AEM-WE）中的性能与耐久性。（a）AEM-WE示意图及电解槽堆栈的结构组成。（b）在1 mol L⁻¹ KOH 进料条件下，不同温度下含PAMQ的无贵金属AEM-WE的线性扫描伏安（LSV）谱图。（c）基于PAMQ的AEM-WE在80 ℃、1.0 A cm⁻²电流密度下，使用非贵金属析氧反应（OER）催化剂（CAPist-L1）和析氢反应（HER）催化剂（Ni₄Mo/MoO₂/NF）进行的超过2500小时的长期耐久性测试。（d）本工作与文献中报道的先进AEM在碱性溶液中的稳定性及其在AEM-WE中的耐久性对比（颜色表示器件中不同的降解速率（μV h⁻¹）：红色：< 20 μV h⁻¹，蓝色：20–100 μV h⁻¹，灰色：> 100 μV h⁻¹）。（e）在1 mol L⁻¹ KOH进料条件下，约40 ℃时基于PAMQ的AEM电堆的LSV谱图。（f）基于PAMQ的AEM电堆在1.0 A cm⁻²电流密度下进行5天的启停耐久性测试实验。（g）基于PAMQ的AEM堆栈在1.0 A cm⁻²电流密度下，使用CAPist-L1和Pt/C进行的超过500小时的长期耐久性测试。

原位稳定性测试能够真实反映AEM在AEM-WE实际工作条件下的降解行为，而器件的整体稳定性则依赖于AEM、析氧反应（OER）催化剂、析氢反应（HER）催化剂及组装工程之间的协同集成。这种协同效应弥合了从“高性能材料”到“高可靠性器件”的关键鸿沟。为此，在不同测试面积和温度条件下，对基于PAMQ的AEM-WE进行了系统的多尺度评估。为了更好地展示AEM-WE在未来大规模工业化中的优势，研究团队组装了完全由非贵金属构成的电解槽（见图3a）。该基于PAMQ的AEM-WE采用了无铂族金属的OER催化剂（CAPist-L1）和HER催化剂（Ni₄Mo/MoO₂/NF），在2 V电压和80 °C条件下实现了7.70 A cm⁻²的高电流密度（见图3b），展现出优异的电解水性能。其稳定性在苛刻的运行条件下（1 A cm⁻²，80 °C）得到了进一步评估。使用厚度为40 μm的PAMQ所组装的AEM-WE在2500 h内电压始终低于1.7 V（见图3c），表明器件具有良好的运行耐久性。

如图3d所示，与文献中最先进的AEM对比其在碱性溶液中的稳定性及在AEM-WE中的耐久性，可以发现大多数已报道的AEM运行时间低于2000 h，且在AEM-WE中的衰减速率超过100 μV h⁻¹。相比之下，PAMQ基的AEM-WE在稳定性和降解速率方面相较于近期报道的AEM-WE取得了显著进展。随后，为评估其在未来大规模应用中的潜力，团队将PAMQ应用于千瓦（kW）级电堆，该电堆由五个串联的单电池组成，每个单电池的有效面积为63 cm²。如图3e所示，基于PAMQ的AEM电解堆在约40 °C下实现了优异的电化学性能（在1 A cm⁻²电流密度下电压为1.726 V）。其在9.55 V电压下实现了150 A的电流（单电池电压为1.91 V），对应输出功率为1.43 kW。为评估其在与波动性可再生能源耦合过程中的动态响应损耗和材料疲劳降解，团队进行了为期5天的启停测试实验，结果表明其具有出色的灵活调节能力（见图3f）。此外，在长期运行测试中（见图3g），该电解堆在63 A电流下的运行电压保持在9 V左右，对应功率为0.57 kW。产氢速率为131.6 NL h⁻¹，生产1 Nm³氢气的能耗为4.3 kWh。

作者简介

孙立成

中国科学院院士，中国化学会会士，欧洲化学会会士，英国化学会会士，人工光合作用领域专家。曾任瑞典皇家工学院分子器件讲席教授，大连理工大学—瑞典皇家工学院分子器件联合研究中心主任，现任西湖大学讲席教授、西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心主任。

孙立成实验室长期致力于太阳能燃料与太阳能电池科学前沿领域关键科学问题的基础研究和瓶颈应用技术的突破，力争在构建“利用太阳能为主导的人类社会新技术体系”进程中发挥核心关键作用。实验室研究内容聚焦包括高效水分解催化剂的设计与合成、阴离子交换膜的设计与合成、大规模电解水制氢组件的开发、电催化精细化学品合成、催化理论计算等。

太阳能燃料与太阳能电池实验室由中心主任孙立成教授带领，目前由45位成员组成。

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