高稳定碱性咪唑盐阴离子交换聚合物膜的研制

Anion-exchange membrane fuel cells (AEMFCs) are a kind of devices which could use the cheaper metals (such as nickel and silver) as the catalysts. The alkaline anion-exchange membrane (AEM) is one of the most important components of AEMFCs. However, quaternary ammonium salt-based AEMs are suffered from the degradation of the quaternary ammonium cation sites on the polymeric AEMs due to nucleophilic substitution and (or) Hoffmann elimination reaction, especially at high pH and elevated temperature. This proposal will study the preparation and characterization of alkaline imidazolium- functionalized AEMs. The conductivity and especially chemical stability at high pH environment of the resulting membranes will be thoroughly studied.

碱性燃料电池由于可以使用Ag、Ni等非贵金属催化剂而得到越来越多的关注。然而，目前应用较多的季铵盐阴离子交换膜存在耐碱稳定性差的问题。针对该问题，我们拟合成咪唑盐阴离子交换聚合物膜并应用于碱性燃料电池。本申请课题首先从基础研究的角度探索咪唑盐单体及其聚合物在强碱溶液中的降解机理；研究咪唑环上取代基团对单体及其聚合物耐碱性能的影响并掌握相应的调控方法；进一步以电池器件为背景，制备咪唑盐(衍生物)阴离子交换聚合物膜，并研究其在碱性燃料电池中的实际应用情形。该课题将从材料化学和器件物理的角度去进一步认识器件中碱性阴离子交换膜的物理化学性质及其稳定机制，为促进基于咪唑盐(衍生物)碱性阴离子交换聚合物膜在碱性燃料电池中的实际应用提供理论和技术指导。

碱性燃料电池阴离子交换聚合物膜是燃料电池的核心部件。然而，目前应用较多的季铵盐类阴离子交换膜存在耐碱稳定性差的缺陷。针对该存在问题，我们以咪唑盐阳离子聚合物为主要研究对象。系统地研究了阳离子化合物的分子结构对其在强碱性条件下的降解机理及影响因素，主要开展工作包括：1)研究咪唑环上取代基团的位阻效应、电子效应对咪唑盐单体及其聚合物耐碱性、电导率等性能的影响；2)合成基于咪唑盐(衍生物)的碱性阴离子交换聚合物膜，并研究阳离子化学结构对其耐碱性、电导率、热稳定性及机械性能等综合性能的影响；3)与DFT理论模拟相结合，进一步研究阳离子化合物的化学结构与其耐碱性的关联。我们的研究发现了有机阳离子化合物的耐碱稳定性随其LUMO能级升高而增强的规律，减少阴离子交换膜分子设计的不确定性。相关研究工作，为促进基于咪唑盐(衍生物)碱性阴离子交换聚合物膜在碱性燃料电池中的实际应用提供理论和技术指导。