小分子诱导自组装方法优化质子传递通道构建高性能质子交换膜

In non-fluorosulfonated proton exchange membrane (PEM), dead-ends and poor connectivity of proton conductive channels (PCCs) usually occurs at low humidity and leads to inadequate proton conductivity. To improve the PCCs morphology at low humidity, amphiphilic self-organization inducers are proposed in this research. The complex hydrogen bonding generated between the PEM polymer and the inducers would trigger the self-organization of the PEM polymer, resulting in connected PCCs and excellent proton conductivity. In this research, amphiphilic self-organization inducers with different configuration will be investigated. The effects of their amphiphilic property, molecular size and the distance between hydrophobic and hydrophilic groups of inducers on the self-organization of PEM polymer will be explored. Complex hydrogen-bonding and hydrophobic interaction between a series of amphiphilic inducers and PEM polymer will be investigated and the self-organization mechanism of SPEEK materials during solution-casting will be revealed by molecular dynamic simulation (MD). Furthermore, proton conducting in confined dimension (nanometer scale) would be demonstrated in terms of experimental study, molecular dynamic simulation and quantum mechanics. This research will pave a novel and effective way to prepare high performance PEM.

针对非氟质子交换膜在低湿状态下质子传递通道死端多、连通性差导致质子电导率较低的关键问题，本项目创新性的提出利用可预脱除的小分子自组装诱导剂，通过亲疏水作用及多重氢键体系，诱导高聚物在成膜过程中自组装，构建尺度宽且连通有序的高效质子传递通道。该方法采用的自组装诱导剂分子量小沸点低，可经制膜过程高温脱除，避免了传统杂化膜的界面相容性问题，保证质子交换膜的化学稳定性和使用寿命，有望得到低成本、高稳定性、低燃料穿透、低湿电导率优异的质子交换膜。深入研究构建高效质子传递通道的自组装机理，试图建立自组装诱导剂与质子交换膜材料的匹配原则。并创新性的提出利用自组装作用可控制备不同尺度的质子传递通道，研究纳米级质子传递通道的限域空间内的质子传导，丰富低湿状态质子交换膜的质子传导理论。亲疏水作用及多重氢键自组装理论的提出，尺度宽且连通的高效质子传递通道的可控构建，限域空间内质子传导机理的研究是本项目的特色。

本项目针对目前非氟质子交换膜在低湿状态下质子传递通道死端多、连通性差导致质子电导率较低的关键问题，提出利用可预脱除的小分子自组装诱导剂，通过亲疏水作用及多重氢键体系，诱导高聚物在成膜过程中自组装，构建尺度宽且连通有序的高效质子传递通道。主要取得如下研究成果：筛选适合的自组装诱导剂，制备系列质子传递通道尺度不同、连通性各异的自组装型质子交换膜，实现质子交换膜质子传递通道的可控制备；提出成膜过程中的亲疏水及氢键作用诱导自组装机理，强化磺化聚醚醚酮（SPEEK）磺酸基团团聚，形成连通有序的质子传递通道，优化电池性能；深入研究在质子传递通道中质子的存在形态及其动力学传递现象，探讨氢键和质子传递通道尺度对质子传导的影响，揭示限域空间内质子的传导机理。在以上项目成果的指导下，所制备的质子交换膜用于燃料电池测试装置，80 °C时质子电导率高达0.314 S cm-1，远超商业化Nafion膜。本项目成果得到了国内外学者的广泛认可，我们提出小分子诱导自组装质子交换膜制备方法被认为是离子交换膜领域的重要研究进展。.项目研究相关成果在International Journal of Hydrogen Energy、Applied Energy、Nanomaterials 等本领域高水平国际期刊上发表已标注本项目资助的SCI论文12篇，中文核心期刊论文2篇，会议论文1篇，参编专著1部，申请中国发明专利1项。项目负责人获国家自然科学基金面上项目（22178096，60万元）、河北省自然科学基金面上项目（B2021502009，10万元）和中央高校基本科研业务费专项资金（2019MS110，10万元）资助。