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ICM论文 | 长春工业大学王哲教授团队 | 高性能阴离子交换膜设计：季铵阳离子与哌啶阳离子协同功能化
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文章导读
在“双碳背景”下，氢能在交通领域飞速发展，用一种绿色的方式，通过燃料电池给车提供动力。阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）是如今利用清洁能源进行化学能和电能转换的重要途径之一，不仅具有绿色低碳优势，而且发展前景十分可观。阴离子交换膜（AEM）作为AEMFC的核心组件之一，它的性能与燃料电池的运行紧密相关。然而，目前AEM仍面临离子传导率低和耐碱稳定性差两方面问题，在大规模商业化的道路上仍然任重道远。因此，AEM性能的研究对于AEMFC的大规模商业化应用具有重大意义。 长春工业大学王哲教授团队近期的研究从分子设计出发，合成了一系列基于聚（对三联苯靛红）的阴离子交换膜，协同发挥两种不同阳离子基团的作用。以聚（对三联苯靛红）聚合物(PTI)为基础，将合成的异种多阳离子侧链以不同比例接入主链骨架中。随着接枝率的增加，电导率表现出提高的趋势。基于此，探究了该系列膜的各项性能。 图文摘要 ★ 合成了一系列不同异种多阳离子侧链接枝比例的聚（对三联苯靛红）阴离子交换膜用于氢氧燃料电池。 ★ 季铵阳离子和哌啶阳离子相互配合，构建了高效的离子通道，提高了阴离子交换膜的性能。 ★ 一系列PTI-N-n膜具有良好的OH-传导率（26.52-96.83 mS cm-1@80 ℃）、优异的拉伸强度（20.17-59.52 MPa@室温）和功率密度（180 mW cm-2@80 ℃、无背压）。 1. PTI-N-n膜截面和微观形貌 PTI-N-100膜的两张SEM照片均未显示出明显的缺陷或裂缝，这表明接枝功能化单体成功地存在于膜中而未被去离子水溶解，另一方面也显示出膜的致密结构。如图1 c-e所示，可以清晰地观察到膜中带有明显的相分离结构。浅色相和深色相分别代表AEM的疏水相和亲水相。随着亲水侧链比例的增加，暗区的范围相应增大，亲水相趋于连通。结果表明，PTI-N-100的微相分离效果最显著，从而赋予其最高的离子电导率，达到了96.83 mS cm-1。 图1. (a) PTI-N-100膜的表面和 (b)截面SEM图像；(c)PTI-N-20、(d) PTI-N-60和 (e) PTI-N-100膜的TEM图像 2. 热稳定性和机械性能 根据TGA曲线，该系列AEM具有良好的热稳定性，经过高温TGA分析，PTI-N-n膜的质量保留率均超过了40%，表明该系列AEM足以满足AEMFC的热稳定性要求。由此可见，聚（对三联苯靛红）作为AEM骨架具有良好的热稳定性，在碱性燃料电池中展现出一定的应用前景。随着侧链接枝率增加，膜的吸水率增大，削弱了聚合物骨架的相互作用，导致拉伸强度下降。但即使是接枝程度最高的x膜，其最大拉伸强度仍能达到20.17 MPa。 图2. (a) PTI-N-n膜的TGA曲线；(b) PTI-N-n膜的应力-应变曲线 3. 耐碱性能 通过观测见稳定性测试前后膜的离子传导率和核磁共振氢谱，评估了膜的碱稳定性。从1H NMR看出，聚（对三联苯靛红）苯环上的质子特征峰没有明显的移动或变化，证明聚（对三联苯靛红）骨架具有良好的碱稳定性。由核磁共振氢谱分析，膜降解可能有以下两种途径：（1）QA官能团受到OH-的亲核取代作用，形成烷基醇，这一降解途径可通过4.5 ppm和0.86 ppm处出现的信号来确定；（2）由于受到OH-的攻击，哌啶的β-H发生霍夫曼消去反应，由核磁图中5.01 pp和5.68 ppm处的信号峰可识别。 图3. (a) 80 ℃下2 M KOH溶液中膜的离子电导率保持率与浸泡时间的关系曲线； (b) 碱稳定性测试后PTI-N-100膜的1H NMR；(c) 降解机理示意图 4. 燃料电池性能 从OH-电导率和机械强度两方面考虑，选择PTI-N-100膜组装电池，无背压条件下，PTI-N-100膜组装而成的燃料电池的开路电压为0.86 V，峰值功率密度为 180 mW cm-2。 图4. (a) PTI-N-100膜喷涂照片；(b) PTI-N-100膜在80 ℃时的单电池性能 本项工作通过简单高效的超酸催化聚合反应，通过接枝异种多阳离子侧链，制备了一系列异种多阳离子协同功能化的聚（对三联苯靛红）阴离子交换膜。哌啶阳离子和季铵阳离子的协同作用有效地促进了离子通道的搭建，高效的离子通道的形成对阴离子交换膜的性能提升具有积极的作用。由TEM图观察到，PTI-N-100膜具有最明显的微相分离结构，拥有最高的的OH-电导率（96.83 mS cm-1）。基于PTI的刚性结构，该系列膜展现出了优异的拉伸强度。由于环状哌啶阳离子的特殊几何构象，该系列膜也展现出良好的碱稳定，PTI-N-20膜在80 ℃、2M KOH中浸泡800小时后，仍能保持90%以上的离子保有率。总的来说，本项工作提供了一种制备阴离子交换膜的简单的分子设计思路，一系列测试也说明哌啶阳离子和季铵阳离子的协同作用有益于AEM性能的提升。 扫二维码｜查看原文 本文来自长春工业大学王哲教授团队发表在Industrial Chemistry & Materials 的文章：Synergistic functionalization of poly(p-terphenyl isatin) anion exchange membrane with quaternary ammonium and piperidine cations for fuel cells, https://doi.org/10.1039/D3IM00077J 引用信息: Ind. Chem. Mater., 2023, DOI: 10.1039/D3IM00077J
本文亮点
图文解读
总结与展望
作者简介
通讯作者
王哲，长春工业大学教授，博士生导师，现任长春工业大学化学与生命科学学院院长。从事高聚物膜材料的分子设计、结构与形态、传输机理的研究工作，研究期间在国内外重要学术期刊发表SCI收录论文100余篇，他引1000余次。以第一完成人获得省部级二等奖2项，授权国家发明专利16项。主持国家自然科学基金面上项目3项、教育部新世纪人才项目、“长白山学者”特聘教授奖励计划、吉林省人才开发资金、吉林省领军人才和项目团队、吉林省科技厅重大项目、吉林省自然科学基金、吉林省发改委、教育厅等省部级项目20余项。Email: wzccut@126.com。
第一作者
谷一曼，长春工业大学化学工程学院高分子化学与物理专业硕士研究生。
撰稿：原文作者
排版：ICM编辑部
期刊特色
☑ 国际一流编委团队 ☑ 严格快速评审，支持透明评审 ☑ 接收即在线，并分配DOI号 ☑ 目前对作者读者双向免费 ☑ 国际传播平台，全球高显示度 ☑ 优秀审稿人与作者奖励
期刊简介
Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被DOAJ、Google Scholar检索，是中国科学院主管，中国科学院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由中国科学院过程工程研究所张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！
期刊网站：https://www.rsc.org/journals-books-databases/about-journals/industrial-chemistry-materials
投稿网址：https://mc.manuscriptcentral.com/icmat
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Editor-in-Chief
Suojiang Zhang（张锁江）
中国科学院过程工程研究所/河南大学
Associate Editors
Maohong Fan Chao Lu(吕超)
University of Wyoming,US 郑州大学
Anja V. Mudring Rong Sun(孙蓉)
Aarhus University,DK 深圳先进电子材料国际创新研究院
Quanhong Yang(杨全红) Shouliang Yi
天津大学 National Energy Technology Laboratory,US
Tierui Zhang(张铁锐) Xiangping Zhang(张香平)
中国科学院理化技术研究所 中国科学院过程工程研究所
https://blog.sciencenet.cn/blog-3388879-1405619.html
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