双极膜是一种新型离子交换膜，由阴阳膜层和中间水解离层组成，利用其在反向偏压下中间层水分子受极化产生OH^-和H⁺的特性，双极膜可作为H⁺和OH^-在线发生源，在HER/OER和CO₂RR等领域有广泛应用，曾列入2020年全国高考化学试题；同时在食品、化工清洁领域的清洁生产，石油石化、煤化工、烟气吸收液等含盐废水资源化等也具有重要工业应用，利用双极膜不仅能够实现有机酸盐直接转化为有机酸、食品工业的电酸/碱化，还能够在不引入新组分的情况下将盐水溶液直接转化为对应的酸和碱而循环利用，因此双极膜被认为是零排放技术的关键材料。双极膜研究的难点在于两个方面：1）阴阳膜层由于膨胀系数不同，使用过程中容易分层；2）目前多采用小分子或者过渡金属离子作为中间层催化剂，使用过程中催化剂易泄露失效。

有鉴于此，课题组针对双极膜中间层有序纳米结构构筑难题，采用原位生长思路，通过调控苯胺分子在阴阳膜层界面处原位锚定、聚合生长并包裹FeO(OH)颗粒构建稳定水解离中间层制备双极膜(图a)。聚苯胺网络提供膜层间强结合力并实现FeO(OH)颗粒的固定和均匀分散。DFT模拟表明，尺寸均一的FeO(OH)颗粒提供水解离活性位点，促进水极化并在电场下快速释放H⁺和OH^-（图b,c）。IV测试表明，该双极膜具有极低的水解离启动电压（0.8V），在100 mA cm^-2电流密度下水解离电压仅为1.1V；该膜还表现出优异的稳定性，可在极限电流密度（300-600 mA cm^-2）下稳定运行，而相应商业双极膜在300 mA cm^-2电流密度下水解离效率明显降低并发生分层现象（图d）。同时该膜表现出优异的水解离产酸碱能力，在100 mA cm^-2下产酸速率达到3.9 ±0.19 M m^-2 min^-1，产碱速率达到 4.4 ±0.21 M m^-2 min^-1，高于商业膜（H2SO4：2.6 ±0.13 M m^-2 min^-1；NaOH：3.1 ±0.16 M m^-2 min^-1）。

图双极膜中间界面结构调控，（a）双极膜制备示意图，（b, c）中间层水解离机理DFT模拟（d）双极膜IV曲线循环测试，（d）双极膜连续运行稳定性测试

研究成果以“Shielded goethite catalyst that enables fast water dissociation in bipolar membranes”为题在线发表于《自然通讯》（Nat Commun 2021, 12, 9），研究成果受到国内外同行的广泛关注和充分肯定，被中科院官网和国际学术媒体SCIENMAG、PHYS&ORG分别推介报道。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20131-1

 中科院官网报道链接：https://english.cas.cn/newsroom/research_news/tech/202101/t20210117_261803.shtml

 SCIENMAG网站报道链接：https://scienmag.com/researchers-make-domestic-high-performance-bipolar-membranes-possibl/

 PHYS&ORG网站报道链接：https://phys.org/news/2021-01-domestic-high-performance-bipolar-membranes.html