西湖大学研发新型高稳定阴离子交换膜材料，推动高效绿氢制备技术革新丨人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成实验室发表最新成果

新闻活动新闻动态

恰逢西湖大学人工光合作用与太阳能燃料研究中心成立五周年之际，中心孙立成院士团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》发表了题为“Polyarylmethylpiperidinium (PAMP) for Next Generation Anion Exchange Membranes”的研究成果。

孙立成团队成功开发出一种新型聚芳甲基哌啶（PAMP）阴离子交换膜（AEM），为AEM的创新开发提供更多可能性，并加速了阴离子交换膜电解水制氢（AEM-WE）的产业化进程。该材料通过独特的“悬垂结构”设计，显著提升了AEM的碱稳定性和机械性能，使电解水制氢设备在工业级电流密度下稳定运行超过1500小时，相关性能指标达到国际领先水平。这一突破为绿氢规模化生产提供了关键技术支撑，助力碳中和目标的实现。

图1.新型PAMP阴离子交换膜结构及其在AEM-WE器件中的应用示意图

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，西湖大学博士生尹利强、助理研究员任荣博士为共同第一作者。

绿氢作为零碳排放的清洁能源载体，被视为能源结构转型的核心。阴离子交换膜电解水制氢（AEM-WE）因成本低、可耦合可再生能源等优势，被视为撬动万亿氢能市场的关键支点。然而，其核心组件阴离子交换膜（AEM）的稳定性不足，导致设备寿命短、效率受限。作为目前研究最广泛的聚芳基哌啶（PAP）材料，其因刚性“马鞍结构”引发了哌啶环应变，在高温强碱环境下极易发生霍夫曼消除反应（E2），导致膜结构分解。如何解决这一关键科学问题，成为全球绿氢赛道竞速的决胜关键！

创新设计：悬垂结构破解稳定性难题

孙立成院士团队通过密度泛函理论计算发现，将哌啶阳离子以“悬垂结构”连接至聚合物主链外，可有效抑制E2反应路径（图2）。

图2. 左：DPP(PAP的模型结构)和DPMP(PAMP的模型结构)及其降解路径，右：DPP和DPMP对应降解途径的自由能垒

基于此，该团队创新性地选用4-甲酰基哌啶（4-FPip）作为功能单体，通过酸催化聚合反应合成了PAMP材料（图3）。该设计实现了以下三大突破：

1. 高效合成：醛基单体活性高，缩短聚合反应时间，减少超强酸用量，合成过程更加环保，极大地降低生产成本；

2. 稳定性提升：悬垂结构减弱哌啶环应变，使其碱稳定性远超商用PiperION膜，增加了分子链之间的π-π堆积，显著提升其机械性能；

3. 规模化生产：实现了平方米级连续卷对卷成膜，厚度均匀可控。

图3. PAMP合成路径及膜材料实物图（左：实验室规模膜，宽幅: 22 cm；右：卷对卷工业级膜，宽幅: 60 cm）

性能突破：工业级电流密度下

稳定运行超1500小时

实验表明，PAMP在苛刻条件下（5 M KOH，90 ℃）浸泡49天后仍有81%的离子保留率，而传统材料PTP在此条件下仅浸泡7天衰减超30%。基于PAMP组装的AEM-WE器件采用非贵金属催化剂（阳极：NiFe-LDH/NF；阴极：Ni₄Mo/MoO₂/NF），在2 V槽压下瞬态电流密度高达7.35 A cm⁻²（80 ℃），远超同类产品。即便放大到25平方厘米的电解池，性能仍超过美国能源部对2026年质子交换膜电解池的目标（图4）。更关键的是，在80 ℃条件下，设备在1.0 A cm⁻²的工业级电流密度下连续运行1500小时，槽压稳定在1.7 V左右。

图4. (a) 全非贵金属基的AEM-WE 示意图；PAMP基AEM-WE在1 M KOH下性能：(b) 1 cm²，(c) 25 cm²；PAMP基AEM-WE在1 M KOH，1. 0 A cm^-2下的稳定性：(d) 26 ℃，1550小时，(e) 80 ℃，1532小时

应用前景

PAMP材料的成功开发，标志着阴离子交换膜技术迈入新阶段。其优异的机械强度（拉伸强度72.05 MPa）、高离子电导率（＞180 mS/cm, 80 ℃，4000小时1M KOH浸泡后离子保留率≥97%）及低成本制备工艺，为大规模绿氢生产提供了可靠解决方案。最重要的是，醛基单体的开发进一步地扩大了合成高碱稳定AEM的单体范围。目前PAMP膜已实现不同厚度的平方米级量产，覆盖20到80微米全系需求。

综上所述，PAMP的突破不仅解决了阴离子交换膜长期稳定性难题，更将推动绿氢制备成本大幅下降。未来，团队将推动PAMP膜与电解槽设备的集成优化，加速产业化进程，同时将继续探索高性能的阴离子交换膜，为全球能源转型贡献中国西湖智慧。

论文信息

相关研究以“Polyarylmethylpiperidinium (PAMP) for Next Generation Anion Exchange Membranes”为题，发表于Angew. Chem. Int. Ed.,

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202503715

该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及西湖大学未来产业研究中心的支持。

西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心

CAP for Solar Fuels @ Westlake

“西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心”为西湖大学校级研究中心，成立于2020年3月，由中国科学院院士、人工光合作用领域专家、西湖大学理学院化学讲席教授孙立成博士组建，主要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。

中心的研究方向包括高效分解水制氢催化剂的设计以及关键器件的集成和应用、光/电驱动CO2还原制备清洁燃料、光/电驱动N2还原合成氨、利用水作为氧源和氢源光/电驱动有机底物氧化与还原制备精细化学品、新型太阳能电池与相关催化剂/电极的耦合关键技术研发、新型捕光半导体材料及光阳极/光阴极的开发、天然光合作用释氧酶水氧化机理揭示、材料智能设计等，并力求从分子、材料等多个尺度上优化催化剂性能、理解复杂的固-气-液界面现象、调控电荷分离与传输、设计开发新型材料和催化体系实现高效太阳能转化和可再生绿色燃料及高端化学品的清洁制备。

中心官网

https://cap.westlake.edu.cn/