DOI: 10.1021/acsami.2c07680

本研究利用静电纺丝技术制备了具有可扩展水解层连接的自支撑双极膜（BPMs）。该接合层由同时静电纺丝磺化聚醚醚酮（SPEEK）和季铵化聚苯醚（QPPO）制成的混合纤维垫组成，水分解催化剂纳米颗粒间歇沉积在纤维之间。将该垫夹在溶液浇铸SPEEK和QPPO薄膜之间，经热压形成具有有限厚度可扩展接合层的致密三层BPM，其由嵌入SPEEK基质中的QPPO纳米纤维和夹在两种聚合物之间的催化剂纳米颗粒组成。改变接合层中的组成、离子交换容量和催化剂类型/负载量，评估了膜的水分解特性。本研究制备的最佳BPMs采用了氧化石墨烯催化剂，在0.5M Na2SO4的水分解实验中于1000mA/cm2下的跨膜电压降低至约0.82V，在800mA/cm2下可稳定水解持续60h。

图1.（a）在水分解模式下运行的BPM（双极膜）。（b）3D接合BPM。

图2.用于制备3D双极接合垫的双纤维静电纺丝装置示意图。

图3.用于BPM性能和耐久性测试的H型电池示意图。

图4.含（a,b）Al（OH）3纳米颗粒和（c,d）nGO颗粒的电纺双极接合垫的SEM俯视图。Al（OH）3和nGO的聚集明显。放大倍率：（a）和（c）为1000倍，（b）和（d）为3000倍。

图5.含（a,b）Al（OH）3纳米颗粒和（c,d）nGO纳米颗粒的电纺BPMs的横截面SEM图像。（b）和（d）显示了各接合层的放大。放大倍率：（a）为4000×，（b）为10,000×，（c）为4500×，（d）为30,000×。

图6.（a）含nGO催化剂的电纺双纤维接合层和（b）最终致密三层BPM的照片。

图7.使用（a）SPEEK（IEC=1.6mmol/g）和QPPO（IEC=1.4mmol/g），以及（b）SPEEK（IEC=1.9mmol/g）和QPPO（IEC=1.8mmol/g）时，Al（OH）3负载为0.5mg/cm2的BPMs的电流-电压曲线。一个Fumasep BPM用于比较。

图8.将水分解起始电压（水分解实验中的开路电位，表示为EOCV）估算为i-V曲线低电流和高电流部分的两条虚切线的交点。

图9.接合层中含有不同催化剂的BPMs的电流-电压曲线。（G）0.1g/cm3 nGO（■）；（H）1.0g/cm3 Al（OH）3（●）；（I）1.0g/cm3 Zr（OH）4（◆）；（J）1.0g/cm3 Al2O3（▲）；（K）无催化剂（○）。

图10.不同外部盐溶液的水分解i-V极化曲线。由1.8 IEC SPEEK/nGO/1.7 IEC QPPO组成的3D接合BPM（58μm总干厚度）。（a,c）高达1100mA/cm2的全极化曲线。（b,d）低电流密度部分极化曲线的放大图。

图11.用于测定恒流水分解过程中通过3D接合BPM的阳离子和/或阴离子泄漏及pH变化的电渗析池示意图。

图12.在800mA/cm2和30℃下进行的长时间恒流水分解实验结果。（a）归一化膜电压降与时间的关系以及（b）0h和60h时的i-V极化曲线。BPM由1.9 IEC SPEEK和1.8 IEC QPPO组成，接合层中含nGO催化剂（总干膜厚度为60μm）。