利用膦酸基与碱性含氮杂环基之间的协同效应设计制备高温质子交换膜

质子交换膜性能的高温退化是限制质子交换膜燃料电池工作温度的最主要因素，也是影响燃料电池商业开发的瓶颈。利用酸-碱两种高分子复合的方法制备质子交换膜，是提高质子交换膜高温综合性能的重要方法，也是目前最具前景的研究方向之一。本项目将以膦酸基与碱性含氮杂环基之间的协同效应为设计思路，通过量子化学计算筛选具有协同效应的膦酸基和碱性含氮杂环基作为质子交换膜的分子结构基础，设计制备具有良好高温性能的质子交换膜。.具体地说，本项目将首先通过量子化学计算筛选具有协同效应的膦酸基和碱性含氮杂环基，组成基础结构集；第二，以基础结构集为基础设计质子交换膜体系；第三，用分子模拟方法研究质子交换膜体系的动态氢键网络结构及其质子动力学，进一步筛选质子交换膜体系；第四，设计合成路线，制备质子交换膜；第五，实验表征质子交换膜的性质。本项目的最终目标是制备高温性能良好的质子交换膜。

本项目研究质子在酸-碱两性或酸-碱复合体系中的迁移机制，及其有关质子交换膜材料的设计与合成，筛选具有良好发展前景的高温质子交换膜材料。.本项目成果体现在理论和实验研究两个方面。在理论研究和材料设计方面，本项目研究了ABPBI及其磷酸掺杂物的结构与氢键网络、苯并咪唑与不同强度的酸性分子之间的氢键结构与质子迁移、膦酸基对1,2,3-三唑分子互变异构路径的影响及其对质子迁移的促进作用，研究并筛选出有利于氢键网络重排的有机膦酸基团、与膦酸基具有协同质子迁移效应的碱性含氮杂环基团。在此基础上，合成了4-乙烯基-1H-1,2,3-三唑、4-(α-甲基乙烯基)-1H-1,2,3-三唑、2-丁烯基咪唑、三唑基官能团化的4,4’-二氟二苯砜等四种活性单体，以及聚乙烯膦酸、聚环己烯膦酸、膦酸接枝的聚苯乙烯、三唑基接枝的聚苯乙烯、聚(4-乙烯基-1H-1,2,3-三唑)、聚(4-(α-甲基乙烯基)-1H-1,2,3-三唑)等多种酸性和碱性高分子。利用这些高分子材料制备的多种酸-碱两性或酸-碱复合质子交换膜，在高温失水状态下表现出质子迁移的协同效应，具有良好的发展前景。.本项目共发表标注国家自然科学基金资助的论文11篇，出版中文专著1本，英文专著1章，申请国家发明专利7项（其中2项已经授权），在国内、国际学术会议上作学术报告5次，墙报6次。.在本项目的资助下，已经培养1名博士后出站，顺利进入高校工作；1名博士毕业，已晋升副教授；5名硕士毕业，顺利进入深圳华为、中芯国际、上海华力微电子、鲁西化工等大中型企业工作。目前，项目组正培养青年教师1人，博士生1人，研究生9人。