在利用风能、太阳能、潮汐能等可再生能源发电的未来新型能源体系中,电能的高密度存储是突破新能源大规模开发应用瓶颈的关键技术环节。基于“氢-水”电化学反应（H2+O2（?）H2O）,将电能转化为氢能是一种高效洁净的化学储能途径,即利用水电解将电能转化为储存于氢气中的化学能。因此,发展高效、廉价的水电解技术对可再生清洁能源体系的建立具有重要意义。氢氧根离子交换膜水电解技术（Hydroxide exchange membrane electrolysis,HEMEL）被认为是未来电解水技术的重要发展方向,既具备聚合物电解质膜水电解技术的高电解效率优势,又因碱性电解环境对电解池的低腐蚀性得以采用廉价的非贵金属催化剂和器件材料,极具高效率、低成本大规模制氢的潜力。然而目前HEMEL技术仍受氢氧根离子交换膜及离聚物的化学稳定性不足、离子电导率与尺寸稳定性之间“trade-off”现象等限制难以规模化应用。针对这一问题,基于自行开发的聚芳基哌啶聚合物电解质（Polyaryl-piperidinium,PAP）,制备了 一系列化学稳定性高、兼具高离子电导率与尺寸稳定性的氢氧根离子交换膜及离聚物溶液。以此构建的氢氧根离子交换膜电极在80℃纯水进料工况下表现出远高于现有文献报道的高电解效率和高温耐久性。主要研究内容包括以下五个方面:（1）电解用超纯水的深度处理研究:针对电解用水中常见污染物在膜电极表面的沉积问题以及残留活性氯引发的聚合物电解质化学降解隐患,采用“酰胺化+迈克尔加成”法和甲醛/磷酸还原-戊二醛交联法分别制备耐污染性和耐氯性的聚酰胺反渗透膜材料,用于水电解用高品质超纯水的深度处理。应用该双膜工艺对市政自然水进行深度处理,出水水质稳定且达到电解用水要求。（2）聚芳基哌啶氢氧根离子交换膜及离聚物溶液的制备:以聚芳基哌啶聚合物为氢氧根离子聚合物电解质,制备了 一系列氢氧根离子交换膜及离聚物溶液,分别探究了离子交换容量、氢氧根离子电导率、吸水率、溶胀率、热/碱稳定性和机械强度等关键性质,证实PAP氢氧根离子交换膜及离聚物溶液兼具高化学稳定性和高离子导电能力与尺寸稳定性,适用于高温水电解过程。（3）氢氧根离子交换膜电极的构建与性能测试:以PAP-BP系列的PAP-BP-60和PAP-BP-100、PAP-TP系列的PAP-TP-85和PAP-TP-100四种聚合物电解质为催化层中的离聚物,采用催化剂覆膜法（CCM法）制备了膜电极（Membrane electrode assembling,MEA）并进行电化学性能测试。结果表明四种MEA在1.8V下的电流密度为250-550 mA/cm2,未经优化已达到目前报道的最高水平（400 mA/[email protected]）。在连续循环测试中,PAP-BP-60 型、PAP-BP-100 型和 PAP-TP-100型MEA的水解性能均出现不同程度的衰减,而PAP-TP-100型MEA的水解性能则相对稳定。（4）离聚物性质与MEA性能的作用机理探究:通过比较95.5℃的水蒸气与100℃的液态水两种不同水分进料状态下的MEA水解性能,证实了离聚物的过度溶胀是导致MEA电解效率受限和性能衰减的直接原因。通过离聚物性质与MEA电解性能的关联性研究,明确了在液态水电解环境中,离聚物的离子电导率与溶胀率共同决定氢氧根离子交换膜电极的水解效率,而溶胀率则进一步决定水解稳定性。最终选择尺寸稳定性最优、水解效率较佳的PAP-TP-85离聚物作为后续水解效率与耐久性优化的研究对象。（5）氢氧根离子交换膜电极的水解效率优化与耐久性研究:分别从催化层中离聚物含量、氢氧根离子交换膜种类、离聚物的分散溶液种类以及水管理等方面对MEA进行水解效率优化,同时考察了12μm和48μm两种PAP膜厚下的MEA水解性能耐久性。优化后的MEA体系:氢氧根离子交换膜和离聚物溶液均为PAP-TP-85聚合物电解质,催化层中离聚物含量为20 wt.%（总催化层质量占比）,离聚物分散溶液为50 wt%/50 wt%THF/H20混合溶液,阴/阳极催化剂为Pt（负载量:2.0mg/cm2）和IrO2（负载量:2.9 mg/cm2）,阴/阳极气体扩散层分别为Toray TGP-H-090碳纸和镀铂钛片。优化后的PAP-TP-85型MEA在80℃液态水阳极进料工况下的电流密度高达900 mA/cm2（@1.8V）,是目前国际报道最高水平（400mA/cm2）的2.25倍。在80℃纯水阳极进料、200mA/cm2恒定电流密度工况下,12μm和48μm PAP膜厚制备的MEA分别能够稳定运行60h和210h。