Ikhsan, Muhammad Mara and Yang, Chaeyeon and Ghotia, Kamal and Egert, Franz and Ansar, Syed Asif and Żurowska, Olga and Rózga, Maria and Michalak, Artur and Kraglund, Mikkel Rykaer and Aili, David and Park, Hyun S. and Razmjooei, Fatemeh and Henkensmeier, Dirk (2025) Sulfonated polybenzimidazole for low-alkalinity ion solvating membrane water electrolysis. Nature Energy. Nature Publishing Group. doi: 10.1038/s41560-025-01876-9. ISSN 2058-7546.
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Abstract
Ion solvating membranes based on polybenzimidazole (PBI) are alternatives to diaphragms in alkaline water electrolysers but can typically only operate with electrolyte concentrations of 15–30 wt% KOH. Sulfonation of the membrane broadens the operational range to 0.1 wt%–30 wt%; however, the swelling of sulfonated para-PBI means that crosslinkers are needed, complicating membrane fabrication and decreasing alkaline stability. Here we report a non-crosslinked PBI membrane with a 50% degree of sulfonation that shows a high room temperature conductivity in 1 M KOH of 135 mS cm−1. We did not observe degradation in a 6-month alkaline stability test at 80 °C. Using this membrane in an anion-exchange membrane water electrolyser, we report a current density of 4.8 A cm−2 at 2 V (3 M KOH at 80 °C; Pt and NiFe electrode catalysts); the H2 crossover to the O2 side remained <2%. Using non-platinum group metal electrodes and a polyphenylene sulfide-reinforced membrane, a cell operated for >1,000 h without failure.
| Item URL in elib: | https://elib.dlr.de/219119/ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Document Type: | Article | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Title: | Sulfonated polybenzimidazole for low-alkalinity ion solvating membrane water electrolysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Authors: |
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| Date: | 10 October 2025 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Journal or Publication Title: | Nature Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Refereed publication: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Open Access: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gold Open Access: | No | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In SCOPUS: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| In ISI Web of Science: | Yes | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DOI: | 10.1038/s41560-025-01876-9 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Publisher: | Nature Publishing Group | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ISSN: | 2058-7546 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Status: | Published | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Keywords: | Green Hydrogen, Water Electrolysis, Membrane Technology, Sulfonated PBI, Sustainable Energy, Nature Energy, Hydrogen economy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Research field: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Program: | Energy System Design | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| HGF - Program Themes: | Digitalization and System Technology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Research area: | Energy | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Program: | E SY - Energy System Technology and Analysis | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DLR - Research theme (Project): | E - Energy System Technology | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Location: | Stuttgart | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Institutes and Institutions: | Institute of Engineering Thermodynamics > Energy System Integration | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Deposited By: | Ghotia, Kamal | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Deposited On: | 28 Nov 2025 15:47 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Last Modified: | 04 Dec 2025 13:52 |
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