Multifunctional Bacterial Cellulose Membranes via Benzimidazole Side-Chain Grafting and Nanocomposite Integration for High-Alkaline-Stability AEMs
原創 新能產學研 2025年12月31日06:56 湖北
研究背景
在全球能源轉型背景下，堿性陰離子交換膜（AEM）作為堿性燃料電池和水電解槽的核心部件，其性能直接影響器件的轉換效率與壽命。然而，傳統AEM在高堿環境中普遍面臨化學穩定性不足的挑戰。本研究以細菌纖維素（BC）這一生物大分子為初始模板，通過原位生成納米SiO?和TiO?顆粒構建無機復合涂層多孔結構，隨后接枝苯并咪唑（BI）和季銨鹽（QA），并填充具有高離子交換容量的聚離子液體（PIL），制備出一種有機-無機復合陰離子交換膜。該復合膜在80°C下離子電導率高達103 mS cm?1，在80°C、1 M NaOH溶液中浸泡300小時后降解率低于10%，室溫下拉伸應力接近70 MPa，綜合性能優異，為高性能生物質基AEM的開發提供了新策略。
研究要點
多孔材料（T-S@BC、QT-S@BC-BI）的制備與表征
復合膜（PIL/QT-S@BC-BI）的制備與性能研究
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機械性能顯著增強：無機納米顆粒（SiO?/TiO?）的引入使復合膜最大拉伸應力從16.8 MPa（PIL/BC）提升至92.1 MPa（PIL/T-S@BC）。BI和QA的接枝進一步調節了力學行為，PIL/QT-S@BC-BI的斷裂伸長率達到11.6%。
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熱穩定性優異：經TGA測試，PIL/QT-S@BC-BI的初始分解溫度達269.1°C，800°C殘炭率為54.2%，表明其熱穩定性滿足堿性水電解槽應用要求。
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吸水溶脹可控：無機涂層顯著降低了膜的吸水率（20°C時從78%降至18%）和厚度溶脹率（從82%降至18%）。BI和QA的引入適度提升了親水性，室溫吸水率增至55.0%，但面積溶脹仍保持較低水平，體現了BC骨架良好的尺寸穩定性。
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離子交換容量（IEC）提升：季銨化接枝使復合膜的IEC值從1.57 mmol g?1（PIL/BC）顯著提升至2.24 mmol g?1（PIL/QT-S@BC-BI），增幅達23.8%，為高離子電導率奠定了基礎。
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離子電導率超高：PIL/QT-S@BC-BI復合膜在80°C、100%相對濕度下，OH?離子電導率超過100 mS cm?1（約103 mS cm?1），是PIL/BC膜的約1.5倍。
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堿性穩定性突出：在80°C、1 M KOH溶液中加速老化300小時后，PIL/QT-S@BC-BI膜的離子電導率保持率高達90.6%，遠優于傳統FAA-3膜及早期BC基膜（降解率通常為50–70%）。
結論與展望
本研究成功開發了一種基于細菌纖維素、集成了納米無機顆粒、苯并咪唑和季銨鹽功能化的高性能復合陰離子交換膜。該膜綜合性能優異，兼具超高離子電導率（>100 mS cm?1）、卓越的機械強度（~70 MPa）和突出的堿性穩定性（300小時降解率<10%），在堿性燃料電池和水電解系統中展現出巨大應用潛力。未來研究可進一步探索該膜在動態工況下的長期穩定性、優化制備工藝以實現規模化生產，并評估其在全電池中的實際性能。文章地址：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.238916泉創