Multifunctional Bacterial Cellulose Membranes via Benzimidazole Side-Chain Grafting and Nanocomposite Integration for High-Alkaline-Stability AEMs
原創(chuàng) 新能產(chǎn)學(xué)研 2025年12月31日06:56 湖北
研究背景
在全球能源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率與壽命。然而，傳統(tǒng)AEM在高堿環(huán)境中普遍面臨化學(xué)穩(wěn)定性不足的挑戰(zhàn)。本研究以細(xì)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(gòu)建無機(jī)復(fù)合涂層多孔結(jié)構(gòu)，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(jī)-無機(jī)復(fù)合陰離子交換膜。該復(fù)合膜在80°C下離子電導(dǎo)率高達(dá)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(yīng)力接近70 MPa，綜合性能優(yōu)異，為高性能生物質(zhì)基AEM的開發(fā)提供了新策略。
研究要點(diǎn)
多孔材料（T-S@BC、QT-S@BC-BI）的制備與表征
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結(jié)構(gòu)構(gòu)建：通過溶膠-凝膠法在BC纖維表面原位生長納米SiO?和TiO?顆粒，形成TiO?-SiO?@BC（T-S@BC）多孔材料，并經(jīng)凍干處理保持三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)完整性。
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化學(xué)修飾成功驗(yàn)證：通過1H NMR、FTIR和XPS證實(shí)，苯并咪唑和季銨鹽成功接枝到無機(jī)涂層BC表面，BI特征峰（如C=N）和QA特征峰（如C-N?）的出現(xiàn)，為膜提供了堿性穩(wěn)定性與離子交換位點(diǎn)。
復(fù)合膜（PIL/QT-S@BC-BI）的制備與性能研究
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機(jī)械性能顯著增強(qiáng)：無機(jī)納米顆粒（SiO?/TiO?）的引入使復(fù)合膜最大拉伸應(yīng)力從16.8 MPa（PIL/BC）提升至92.1 MPa（PIL/T-S@BC）。BI和QA的接枝進(jìn)一步調(diào)節(jié)了力學(xué)行為，PIL/QT-S@BC-BI的斷裂伸長率達(dá)到11.6%。
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熱穩(wěn)定性優(yōu)異：經(jīng)TGA測試，PIL/QT-S@BC-BI的初始分解溫度達(dá)269.1°C，800°C殘?zhí)柯蕿?4.2%，表明其熱穩(wěn)定性滿足堿性水電解槽應(yīng)用要求。
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吸水溶脹可控：無機(jī)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(xiàn)了BC骨架良好的尺寸穩(wěn)定性。
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離子交換容量（IEC）提升：季銨化接枝使復(fù)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(dá)23.8%，為高離子電導(dǎo)率奠定了基礎(chǔ)。
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離子電導(dǎo)率超高：PIL/QT-S@BC-BI復(fù)合膜在80°C、100%相對濕度下，OH?離子電導(dǎo)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(wěn)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(dǎo)率保持率高達(dá)90.6%，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)FAA-3膜及早期BC基膜（降解率通常為50–70%）。
結(jié)論與展望
本研究成功開發(fā)了一種基于細(xì)菌纖維素、集成了納米無機(jī)顆粒、苯并咪唑和季銨鹽功能化的高性能復(fù)合陰離子交換膜。該膜綜合性能優(yōu)異，兼具超高離子電導(dǎo)率（>100 mS cm?1）、卓越的機(jī)械強(qiáng)度（~70 MPa）和突出的堿性穩(wěn)定性（300小時降解率<10%），在堿性燃料電池和水電解系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。未來研究可進(jìn)一步探索該膜在動態(tài)工況下的長期穩(wěn)定性、優(yōu)化制備工藝以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，并評估其在全電池中的實(shí)際性能。文章地址：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.238916泉創(chuàng)