天津大学Nature Communications: 高导热氢氧根离子交换膜助力长效绿色制氢

（分子＋研究院供稿）在新质能源活跃开发的大背景下，电解水制氢作为一种绿色环保的氢气制取方式备受瞩目。其中，氢氧根离子交换膜电解水（HEMWE）技术以其成本低与性能优异等特点，有望成为变革性技术。随着新型离子传导材料的不断涌现，以及化学结构精准调控手段的不断丰富，HEM膜的本征性能，如离子电导率与稳定性，均取得了显著提升，部分性能已趋近商用指标。然而，HEMWE技术距离大规模实用化仍存在一定差距。尽管近年来已有HEMWE电堆产品问世，但与质子交换膜水电解（PEMWE）技术相比，国内外布局HEMWE技术的企业占比较小。大幅度提高HEM的器件稳定性，已成为HEMWE技术走向实用化的主攻目标。

为此，天津大学科研团队与中科院大连化物所科研团队合作，采用实验与数值模拟相结合的研究范式，揭示了电解水制氢工况下HEM稳定性较差的成因，并建立了热导率、温度、电压衰减率与稳定性之间的关联。具体而言，当电解槽在较高电流密度下运行时，大量焦耳热会在 HEM膜内聚积，导致膜温度升高，进而加速膜的化学降解反应，最终导致膜的原位稳定性降低。基于上述分析，研究团队设计出具备三维导热网络的导热HEM。这种新型HEM的热传导性能大幅提升，热导率达到了纯有机聚合物HEM的32倍。在1 A cm⁻²的电流密度下，可有效降低电解槽膜温4.9℃。经测试，该导热HEM电解槽内的稳定性超越商业膜6倍，且工作时长超过1000小时。此项工作率先揭示了HEM传热性质对膜原位稳定性的关键作用，为设计耐久性HEMWE开辟了全新思路，为低成本电解水制氢技术走向实用化提供了基础理论和关键技术。

该研究近期发表于Nature Communications期刊，第一通讯单位为天津大学分子+研究院，通讯作者为天津大学姜忠义、武美玲、周凯歌、蒋浩然和中科院大连化物所赵云，第一作者为天津大学分子+研究院硕士研究生王伟。该研究工作获得了国家自然科学基金、国家重点研发计划、天津市自然科学基金、天津大学-福州大学2024年自主创新基金合作项目和物质绿色创造与制造海河实验室的多方支持。

图1:高导热HEM缓解电解槽内膜热量聚集的思路图及导热HEM的性能对比

论文信息：

Wei Wang, Ruixiang Guo, Aodi Zheng, Xiaorui Jin, Xiongjie Jia, Zhiwei Ren, Yangkai Han, Lifeng Zhang, Yeming Zhai, Xiaofen Liu, Haoran Jiang*, Yun Zhao*, Kai-Ge Zhou*, Meiling Wu*, Zhongyi Jiang*, Promoting in-situ stability of hydroxide exchange membranes by thermally conductive network for durable water electrolysis,Nat. Commun., 16, 934 (2025)

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56262-6

（编辑 刘延俊 安桐瑶）