与碱性水电解槽（AWE）和质子交换膜水电解槽（PEM-WE）相比，具有零间隙结构和低成本组件的阴离子交换膜水电解槽（AEM-WE）已成为未来氢经济最有前途的技术之一。阴离子交换膜（AEM）是 AEM-WE 的重要组成部分，其良好的机械性能、低尺寸膨胀、高离子电导率和优异的化学稳定性，是AEM-WE迫切需要的。然而，由于缺乏高耐用性和高性能的AEM（如 PEM-WE中使用的Nafion^®），AEM-WE的工业化和可持续应用受到了阻碍。设计和合成高性能、碱性稳定的AEM对于利用AEM-WE获得绿色氢气至关重要。

为实现高性能的AEM，包括聚（芳基醚）、聚（降冰片烯）、聚（苯并咪唑）、无醚聚芳基等在内的多种聚合物骨架，以及季铵、咪唑、季鏻和茂金属等功能阳离子基团都已被引入并进行了探索。最具代表性的是，2018年Jannasch报道了富电子苯基单体与哌啶酮在超酸催化下缩聚合成的聚芳基哌啶（PAP）均聚物，该均聚物将不含芳基醚的骨架与碱性稳定的哌啶阳离子结合在一起，得到了高稳定性的AEM。随后，以庄林、严玉山、Young Moo Lee、胡喜乐、徐铜文等为代表的国内外研究组通过支化、交联、共聚等多种策略调节链结构，开发出一系列以二甲基哌啶为阳离子官能团的高性能AEM。这些努力先后将聚合物结构工程提升到了一个新的水平，并进行了初步的产业化布局。得益于新型AEM的高稳定性，商用 AEM-WEs 系统（如 Enapter）也已开发出来，为 AEM 设备从实验室规模走向商业应用铺平了道路。

AEM-WE系统集成的日益成熟提高了对AEM铵盐稳定性的要求。然而，值得注意的是，目前广泛研究的AEM官能团仍然是哌啶，然而N,N-二甲基哌啶（DMP）在高温或长时间的浓碱环境中仍会发生降解。具体来说，DMP的椅式构象（图 1a）有三种降解途径，包括甲基的亲核取代（S_N2）、亚甲基的 S_N2和β-H的霍夫曼消去（E2）。其中，在高温和高碱性浓度条件下，E2被认为是主要的降解途径，这大大增加了提高含有哌啶阳离子的AEMs在苛刻操作条件下的稳定性的难度。因此，具有刚性笼状环的双环季铵-奎宁铵（Qui）因其环应变小、构象受限，近来受到广泛关注。从图1b中DMP和Qui的Stick 3D和Newman投影图可以看出，DMP中的β-H很容易旋转到反平面位置（DMP中β-H-C-C-N的二面角为-180°），从而导致与N阳离子的反式平面，发生E2反应，而Qui中β-H-C-C-N的二面角为-120°，限制了E2反应的发生。

图1. （a）PAP的降解途径；（b）DMP和Qui的化学结构、Stick 3D和Newman投影，β-H-C-C-N的二面角用红色标出

基于此，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成院士团队报道了一种用于高性能水电解的支化型聚芳基奎宁(PAQ)的稳定阴离子交换膜（AEM），为AEM的创新开发提供更多可能性，并加速了AEM电解水的产业化进程。实验结果表明，PAQ具有优异的碱性稳定性，并且通过三苯基苯的引入实现了聚合物的机械稳定性和离子电导率之间的平衡，提升了综合性能，并在无贵金属参与的AEM-WE中展现出优异的性能和稳定性。

图2.(a) 模型小分子DPQui在5 M NaOD溶液中80 ºC条件下，不同浸泡时间后的核磁谱图；(b) 半衰期；(c)-(d) 模型小分子DPPip和DPQui在不同降解路径下的能垒及相对应的化学结构和降解位点

图3. (a) PAQ-x的合成路线，其中x代表三苯基苯在共聚物中的含量；(b) PAQ-5在DMSO-d₆中的核磁谱；(c) PAQ-5的展示图

图4. PAQ-x的基本性质表征和形貌表征

图5.  (a) AEM-WE示意图；(b) PAQ-x AEM-WE性能；(c) PAQ-5的non-PGM AEM-WE性能；(d) PAQ-5的AEM-WE的长时间稳定性；(e-f) 性能对比

图6. PAQ-5的原位和非原位的碱稳定性研究

该工作中，作者通加速老化实验和理论计算相结合证实了奎宁环结构的稳定性，并通过引入三苯基苯制备了一系列分子量可控、离子交换容量可调的支化聚芳基奎宁(PAQ-x) 阴离子交换膜。这种支链聚合物结构降低了吸水率和溶胀率，在尺寸稳定性和离子电导率之间取得了平衡，显著提高了膜的整体性能。更重要的是，PAQ-5被用于non-PGM的AEM-WE，在2 V下实现了8 A cm^-2的高电流密度，并在梯度恒电流测试中展现了超2400 小时 的出色稳定性。作为一种新兴的结构稳定的 AEM，PAQ-5 的性能和耐用性可与已开发成熟的 PAP 系列 AEM 相媲美，这为 AEM 的创新发展提供了更多可能性，并加速了基于 AEM 的设备的产业化进程。