阴离子交换膜的可见光RAFT聚合制备及构型研究

As the crucial component, anion exchange membrane has attracted great attention among researchers in both China and the world and becomes the hottest topic in recent years. However, preparing satisfactory anion exchange membranes with high controllability at mild conditions still remains a big challenge. This project will thus introduce a novel method-visible light induced RAFT polymerization for membrane preparation. The functional monomers commonly used in membrane preparation will be firstly polymerized based on the “visible light-photo catalyst-monomer” correspondence to synthesize homopolymer, block polymer and side-chain type polymer in “one pot” at room temperature. Then the ionic functionalization of three polymers will be carried out to fabricate crosslinking, block and densely functionalized side-chain type anion exchange membranes. Finally, all membranes with variable configurations will be characterized to establish the structure-property relationship among membrane chemical structure, microscopic morphology and macroscopic property. The in-depth investigation will provide a novel route for preparing excellent membranes with high controllability at mild conditions and to provide powerful support for the development of alkaline fuel cells.

作为碱性燃料电池的核心部件，阴离子交换膜已成为当今国内外的研究热点，但传统阴离子膜存在制备条件苛刻、制备过程可控性差及综合性能差等问题。为此本项目拟引入可见光RAFT聚合技术，基于“光源-光催化剂-单体”间的对应关系，通过控制光源波长、光催化剂的量等实现室温条件下单体的高效可控聚合。采用“一锅法”控制合成均一聚合物、嵌段聚合物和侧链聚合物，并通过聚合物后功能化制备相应的交联型、嵌段型和高离子功能基团密度侧链型阴离子膜。通过对三种构型的阴离子膜进行结构表征和性能测试，建立阴离子膜的“化学结构-微观形貌-宏观性能”之间的构效关系，为制备综合性能优异的阴离子膜提供一条可控性高且条件温和的途径，为碱性燃料电池的进一步发展和实际应用范围的扩大提供关键理论和技术支撑。

本项目针对传统活性聚合技术在制备阴膜方面存在的条件苛刻与可控性差等问题，利用条件温和、反应高效的可见光RAFT聚合技术制备了交联型和嵌段型阴离子交换膜，并对膜的微观相分离形貌和基本性能进行了表征。研究结果表明：对于脂肪链交联结构阴膜PQEVE，脂肪主链PCEVE展现了优异的耐碱性（浸泡于60°C 4MNaOH水溶液中10天未降解），而脂肪链结构的柔软性又使得膜表现了清晰的微相分离形貌，确保了膜的高离子电导率（σCl(30°C)=26.1 mScm-1），该膜的成功制备有望为传统热引发活性聚合方法提供一条新的优势性替代方法；对于嵌段结构阴膜，聚合动力学研究发现：两种单体的聚合均为活性聚合且具有光响应性，因而可以通过便利地控制光源调节软硬两段的摩尔比，以调控膜的微相分离形貌，获得高电导率、低水溶胀（IEC=0.88 mmolg-1, σCl(30°C)=8.7 mScm-1, LSR=1.4%）的嵌段型阴膜；此外，在项目执行过程中，我们还开展了应用交联剂的结构有效调控超支化型阴膜的形貌及性能方面的工作，积极探索了可见光催化脱羧磺酰化反应，为该项目奠定了理论和实验基础。.通过以上工作的开展，我们开发了一条绿色、高效、便利、可控性高的阴离子交换膜制备方法，建立了不同构型阴离子交换膜的“化学结构-微观形貌-宏观性能”之间的构效关系，为碱性燃料电池的进一步发展和实际应用范围的扩大提供了关键理论和技术支撑。期间，项目负责人以第一作者发表学术论文3篇，申请发明专利2项，完成了项目预期目标。在项目执行过程中，我们共协助培养研究生3名、本科生6名，圆满完成了申请书中所列的人才培养目标。.基于该项目执行所积累的研究基础，在后续的工作中我们将结合新型连续流化工技术，开发一条高性能阴离子交换膜制备的连续化生产线，推动阴离子交换膜和碱性燃料电池的商业化发展进程。