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Dual‐Scale‐Patterned Anion Exchange Membrane With Coupled Interface for Durable Water Electrolysis

材料科学 化学工程 电解 膜 氢氧化物 膜电极组件 离子交换 催化作用 聚合物 电解水 电极 图层(电子) 纳米技术 阳离子聚合 离子键合 离子 电导率 离子电导率 压花 离子运输机 粘附 原子层沉积 自组装 分解水 氢氧化钾 催化剂载体 无机化学 接口(物质) 分子动力学
作者
Lianqin Wang,Jun Wang,Shan Guan,Ziming Wang,Runfei Yue,Huiyu Qiu,Xinyi Cao,Tao Liu,Yingjie Feng,Zhizhao Che,Fuqiang Bai,Junfeng Zhang,Yan Yin,Michael D. Guiver
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (16): e21844-e21844 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adma.202521844
摘要

ABSTRACT The widespread adoption of anion exchange membrane (AEM) water electrolysis is impeded by rapid performance decay, largely caused by catalyst layer detachment under low catalyst loading conditions. To overcome this, we present a structurally graded AEM design that establishes efficient transport pathways from the molecular level to the membrane/catalyst layer interface. At the bulk transport level, molecular dynamics simulations and experimental validation confirm that the designed polymer matrix, based on the C‐F backbone and flexible cationic side chains, promotes favorable microphase separation. This leads to well‐connected ionic nanochannels that facilitate superior bulk hydroxide conduction. At the membrane/catalyst interface, a biomimetic micro‐nano pattern, inspired by aquatic plants, is engineered onto the membrane surface via an industrially scalable embossing calendaring process. The resulting patterned interface optimizes interfacial contact, enhancing catalyst adhesion and mass transfer. By integrating these two scales of transport, a highly efficient membrane electrode assembly is realized, enabling synergistic management of ions, water, and gas bubbles. The resulting AEM achieves a record‐high hydroxide ion conductivity of 338.2 mS cm −1 at 80°C and exceptional ductility, with elongation of 162.0%, surpassing all previously reported AEMs. More importantly, the water electrolysis demonstrates markedly enhanced operational stability under various conditions.
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