Anisotropic Polybenzimidazole Ion‐Solvating Membranes Composed of Aligned Nano‐Sheets for Efficient Acid‐Alkaline Amphoteric Water Electrolysis

材料科学 电解 化学工程 离子 电导率 离子键合 离子电导率 纳米- 碱金属 无机化学 电解质 复合材料 化学 有机化学 电极 物理化学 生物化学 工程类
作者
Zequan Huang,Danyi Zhu,Brian C. Benicewicz,Tianyu Zhu,Jiazhen Liang,Taizhong Zhu,Liang Zhang,Mengjiao Liu,Congjie Gao,Fei Huang,Lixin Xue
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:14 (11) 被引量:16
标识
DOI:10.1002/aenm.202303481
摘要

Abstract Acid‐alkaline amphoteric water electrolysis (AAA‐WE) can produce green hydrogen under reduced voltage and energy consumption. However, its conflicting demands on ion exchange membranes to have both high ionic conductivity and barrier properties between H + and OH − have thwarted its own development. Here, the preparation of anisotropic polybenzimidazole (PBI) ion‐solvating membrane (ISM) made of hundreds of 28 nm thick nano‐sheets (PBI‐aNS) from gel state PBI (PBI‐Gel) membranes via 2D‐polarized/1D shrinking process, in which loosely packed multi‐layer PBI nano‐fibrous assemblies are shrunken into hundreds of layers of tight 28 nm thick nano‐sheets, is reported. The resulting PBI‐aNS membranes possess excellent dual‐ion conductivity (H + and OH − ), good acid/alkali barrier capability, and robust mechanical properties. Acid‐alkaline amphoteric water electrolysis (AAA‐WE) using PBI‐aNS separators achieves a high current density of 1 A cm −2 at 1.4 V (with iR‐correction) under a voltage increasing rate of 6.1 mV h −1 . This newly designed ISM will lead to new possibilities for the development of next‐generation water electrolysis devices with improved green hydrogen production efficiencies.
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