来源：DeepTech深科技
“我们实现了迄今为止全非贵金属基阴离子交换膜电解水制氢技术实验室规模的最先进水平，并且完全摆脱了传统的铱/铂贵金属催化剂。”西湖大学讲席教授、中国科学院院士孙立成如是说。
不久前，他带领团队提出了一种稳定的阴离子交换膜构建策略，实现了高性能全非贵金属催化剂的阴离子交换膜电解水（AEM-WE，Anion Exchange Membrane Water Electrolyzers）[1]。
在 2.0V 以及 80ºC 工况条件下，能够实现 8A/cm2的电流密度。与此同时，这种无贵金属催化剂的 AEM-WE 在梯度恒电流测试条件下，可以保持长效运行 2400 小时以上。
图丨孙立成院士（来源：孙立成）现阶段，AEM 的稳定性是限制 AEM-WE 大规模产业化的主要障碍之一，该研究从根源上解决了 AEM 中阳离子功能基团的降解问题，极大地提升了 AEM 的碱性稳定性。
同时，这种构筑策略还可以被借鉴到燃料电池、液流电池、金属空气电池等 AEM 器件的固态电解质研发中，以提高器件的耐久性。
研究人员通过耦合全非贵金属的阴阳极催化剂，实现了高效电解水制氢，并展示了其在替代传统贵金属催化剂方面的巨大潜力。
全非贵金属基 AEM-WE 能够极大地降低制氢成本、提高效率，具有良好的商业化前景。
值得关注的是，这种新型 AEM 在极端电流密度下的稳定性得到了初步验证，使 AEM-WE 在工业大电流密度下的长效运行成为可能。
长期以来，AEM 领域缺乏一款类似质子交换膜领域全氟化质子交换膜（Nafion）的代表性产品。
孙立成表示：“我们提出的聚芳基奎宁聚合物（PAQ，poly（aryl-quinuclidinium））AEM，体现了极佳的非原位碱性稳定性和原位器件稳定性，有望成为一款代表性 AEM 产品。”
完全摆脱传统的铱/铂贵金属催化剂
该研究共历时两年，通过引入高稳定的 AEM，实现了兼具高性能和高稳定性的 AEM-WE。
从聚合条件的摸索到器件性能的优化，以及稳定机制的探讨等方面，研究人员都进行了细致的研究。
研究人员在分子水平上，从阳离子碱性环境下降解机制入手。但最初，在尝试酸催化实现奎宁酮和芳基聚合时总是失败。
在某次讨论中，他们关注到奎宁酮盐酸盐自带的盐酸可能是阻碍聚合的“元凶”，通过降低酸性来阻碍聚合反应。
于是，研究人员尝试将奎宁酮盐酸盐用碱中和处理，得到纯的奎宁酮后顺利解决了聚合问题。
孙立成表示，虽然小分子反应能正常进行，但缩合聚合是一个不断累加的反应过程，期间“杂质”的影响往往更突出，因而一定要在实验中排出这些“杂质”。
图丨（a）PAQ-x 的合成路线，其中 x 代表三苯基苯在共聚物中的含量；（b）PAQ-5 在 DMSO-d6 中的核磁谱；（c）PAQ-5 的展示图（来源：Angewandte Chemie International Edition）
实验结果显示，支化型聚芳基奎宁的碱性稳定性显著。通过引入刚性笼状季铵盐结构，改变了 β-H 的键角，限制了季铵盐的降解，从而提升了 AEM 的稳定性和各方面性能。
该策略和笼状季铵盐结构为后续开发碱稳定 AEM 奠定重要基础，进一步推动 AEM-WE 技术的进步。
图丨（a）AEM-WE 示意图；（b）PAQ-x AEM-WE 性能（来源：Angewandte Chemie International Edition）审稿人之一认为，该研究显示出 AEM-WE 技术的工业应用潜力。
另一位审稿人则评价称：“这项研究很有价值，因为它提出了系统的研究方法，包括实现 AEM-WE 的高性能，并展示了奎宁基团作为 AEM 的阳离子基团的潜力，从而为开发新一代 AEM 做出贡献。”
“预计 5 年内会进入快速发展期”
AEM-WE 结合了质子交换膜电解池和碱性电解池的优点，采用非贵金属催化剂是其最大的成本优势。
AEM-WE 的性能受催化剂、膜、组装工艺等协同影响。然而，目前研究报道的 AEM-WE 性能都是基于贵金属催化剂的，阻碍了其走出实验室。
得益于该课题组高效催化剂和高稳定性膜的开发以及组装工艺的优化，在实验室级别的 AEM-WE 器件方面实现了技术突破，为后续该技术成果的放大与转化提供充足的保障。
该研究中的非贵金属基 AEM-WE，极大程度地发挥了该器件的优势（真正意义上实现了 AEM-WE 的成本优势），并表现出不亚于贵金属催化剂的极佳性能，展现出良好的发展前景。
看到成果进步的同时，也需要了解的是，初步商业化的 AEM 普遍存在碱性稳定性不足的问题，因而距离实际的产业化应用还有一段距离。
现阶段，AEM 产业化正处于快速发展阶段，相关技术和应用正在不断成熟和推广。
该研究提出的通过引入刚性笼状季铵盐的消除降解，可能成为一种有效的策略。随着技术的进一步进展和市场需求的增加，该类 AEM 的产业化有望取得更大的突破和进展。
目前来看，高稳定的 AEM 在燃料电池、液流电池、电渗析、金属空气电池等领域都存在需求。
孙立成指出，相对而言，现在 AEM 电解水的研究处于领先位置，更接近产业化。因此，在合适的时机进行技术推广，有利于其他领域的快速发展。
“阴离子交换膜电解槽是未来几年内快速发展的方向，目前对于阴离子交换膜电解槽在学术界已经有一些不错的研究成果，短时间内将会有大量的 AEM-WE 产品推出。我认为，该领域预计 5 年内会进入快速发展期。”他说。
推动技术从“书架”到“货架”
孙立成教授与“水”结缘近 30 年，长期从事水氧化分子催化剂的研究，而催化水氧化是制备绿氢的关键。
他是“全球高被引科学家”之一，曾在瑞典皇家工学院担任分子器件讲席教授。2013 年，以四位杰出科学家之一身份受瑞典国王接见；2017 年，当选瑞典皇家工程院院士。此外，孙立成还获得了 2018 年度中华人民共和国国际科学技术合作奖。
2012 年，孙立成课题组在人工光合作用领域取得重要突破：所开发的全球领先的水氧化分子催化剂 Ru-bda，其催化效率可与天然光合作用水氧化中心相媲美[3]。
在国外 28 年工作期间，他在人工光合作用领域持续解决关键科学问题，积累了深厚研究基础，主要包括：高效水氧化催化剂设计合成、氧-氧键形成机理、光解水制氢功能器件设计、光电催化二氧化碳/氮气还原、新型钙钛矿太阳能电池空穴传输材料设计与制备等。
2020 年 3 月疫情期间，孙立成教授选择回国全职加盟西湖大学，担任该校理学院化学讲席教授和人工光合作用与太阳能燃料中心主任，并组建西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心，现有 80 余名成员。
图丨孙立成团队（来源：孙立成）该团队以太阳能燃料与太阳能电池两大科学前沿领域为主要研究方向，聚焦于基础研究的重大理论创新和应用技术瓶颈的突破。
孙立成表示，回国后，从事电解水制氢研究是“水到渠成”的方向调整。利用电解水技术耦合可再生能源制取绿氢，提供清洁能源，推动能源转型，从而减少温室气体排放，是最有潜力的方案。
因此，该团队的核心方向包括：阴离子交换膜、析氧（OER，Oxygen Evolution Reaction）、析氢（HER，Hydrogen Evolution Reaction）催化剂及膜电极组件（MEA，Membrane Electrode Assembly）。
也就是“AEM”“OER”“HER”“MEA”这 12 个英文字母，在取得一系列突破性核心技术的同时，也与很多企业进行合作研究，展现出高于市场产品的性能，并获得多项发明专利。
基于本次研究，在接下来的研究阶段，孙立成教授将带领团队继续围绕 AEM-WE 关键材料与技术，发展全非贵金属阴阳极催化剂及新型稳定的 AEM，研究关键界面传质、器件衰退机制等方面的具体科学问题，力争短时间内实现阴离子交换膜电解槽的产业化。
从“书架”到“货架”是科研工作者的社会责任，也是该课题组的一直以来的目标。加速 AEM-WE 的产业化，需要不同领域的研究者和企业进行全方位的合作，对工程放大、材料匹配、组装工艺及可靠性进行评估优化。
“我们一直秉持积极开放的态度，期待与工业界共同推进 AEM-WE 的普及和应用拓展，实现合作共赢。”孙立成说道。
参考资料：1.Stable Anion Exchange Membrane Bearing Quinuclidinium for High-performance Water Electrolysis. Angewandte Chemie International Edition 63, e202400764 (2024).
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202400764
2.N-Methylquinuclidinium-Based Anion Exchange Membrane with Ultrahigh Alkaline Stability.Advanced Materials 35, 2306675(2023).
https://doi.org/10.1002/adma.202306675
3. A molecular ruthenium catalyst with water-oxidation activity comparable to that of photosystem II. Nature Chemistry 4, 418–423 (2012).
https://doi.org/10.1038/nchem.1301
4.https://www.hydrogen.energy.gov/docs/hydrogenprogramlibraries/pdfs/review22/p196a_myers_2022_p-pdf.pdf
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