基于聚轮烷结构的侧链滑动型阴离子交换膜的制备及应用基础研究

Fuel Cell is a new generation of highly efficient and clean energy-converting devices, it can directly convert the chemical energy stored in renewable clean fuels into electrical energy, and it has been developing rapidly in recent years. Ion exchange membrane is a key component of fuel cells, and the ion conductivity of membrane is one of the important parameters when it is used in fuel cell. Typically, the ion conducting groups were directly grafted onto the polymer backbone by covalently bond, so the ion conductivity is heavily dependent on the number of ion conducting groups (IEC). Although the higher the IEC value is, the higher conductivity can be achieved, the increase of IEC is accompanied by the increase of water content and swelling of the membrane, and then decrease the stability of the membrane. In view of this “trade-off” effect, this project is based on the host-guest recognition effect in the field of super-molecular chemistry, and upgrades the traditional method which the ion conducting groups are covalently graft onto the polymer backbone. The ion conducting groups are introduced onto the polymer backbone in the form of non-covalent bond. By changing the external environment, the interaction between the side chain and the main chain will be vanished and the ion conducting groups will slide on the main chain. The purpose of low IEC，high phase separation and high conductivity will be achieved. This will lay the partial and scientific foundation for the development of ion exchange membrane and alkaline polyelectrolyte fuel cell.

燃料电池（Fuel Cell）作为新一代高效清洁的能量转换装置，可以将储存在可再生清洁燃料中的化学能直接转换为电能，近年来发展迅猛。离子膜作为燃料电池的关键部分，离子传导性能是衡量其在燃料电池中应用的最重要参数之一。目前为止，大部分离子膜均以共价键形式将离子交换基团链接在聚合物主链上，离子传导率严重依赖离子交换基团的数量，即离子交换容量（IEC）。虽然高IEC可以获得高电导率，但随着IEC的升高膜含水和溶胀均会升高，继而影响膜的稳定性。 针对这一“trade-off”效应，本项目基于超分子领域中的主客体识别技术，改变传统离子膜接枝离子交换基团的方法，将离子交换基团通过侧链以非共价键的形式贯穿在高分子主链上。通过改变外部环境，侧链与主链间相互作用取消，可以实现离子交换基团在主链上的自由滑动，实现低IEC、高相分离、高电导的目的，为阴离子交换膜和碱性燃料电池领域的进一步发展奠定科学和技术基础。

燃料电池（Fuel Cell）作为新一代高效清洁的能量转换装置，可以将储存在可再生清洁燃料中的化学能直接转换为电能，近年来发展迅猛。离子膜作为燃料电池的关键部分，离子传导性能是衡量其在燃料电池中应用的最重要参数之一。目前为止，大部分离子膜均以共价键形式将离子交换基团链接在聚合物主链上，离子传导率严重依赖离子交换基团的数量，即离子交换容量（IEC）。虽然IEC越高，电导率越高，但是IEC的升高又伴随着含水和溶胀的升高，继而影响膜的稳定性。 针对这一“trade-off”效应，本项目基于超分子领域中的主客体识别技术，改变传统离子膜接枝离子交换基团的方法，将离子交换基团通过侧链以非共价键的形式贯穿在高分子主链上。通过改变外部环境，侧链与主链间相互作用取消，可以实现离子交换基团在主链上的自由滑动，实现低IEC、高相分离、高电导的目的，为离子交换膜及相关燃料电池进一步发展奠定科学和技术基础。项目执行期内，根据研究计划，成功在膜内引入轮烷结构，制备的离子交换膜。通过非共价接枝的侧链，使得侧链具有较强的运动能力，首先可以促进膜内侧链与主链间的微相分离结构，同时可以使得离子交换基团具有更大的运动范围，能够有效的促进质子在膜内的传导。该类膜同时表现出了明显的温度响应特性，离子交换容量为0.78的情况下，在85 oC时的质子电导率可达280 mS/cm；聚轮烷类离子膜的成功制备及性能测试，表明以非共价键接枝的形式引入功能基团，与传统离子膜相比，具有明显的优势，为离子膜发展提供了一条全新的研究思路。项目执行期内，发表Nature communications 等SCI期刊论文4篇。