高性能阴离子交换膜连续网络结构离子通道的构建与性能研究

As a key component of alkaline polymer electrolyte membrane fuel cell, anion exchange membrane (AEM) still suffers from low ionic conductivity and low stability. This proposal proposes a novel design method to construct highly efficient ionic channel based on “continuous network”, i.e., to surface/interface functionalize polymer microspheres with a small amount of ionic exchange group through physical blending, core-shell emulsion copolymerization and surface grafting, then heat-press to form AEM, acquire highly efficient and stable 3-D ionic transport network with the interface confinement of polymer phases. Subsequently, tune the network structure to obtain excellent AEM with both high ionic conductivity and mechanical stability at a very low ionic exchange capacity (IEC).

阴离子交换膜（AEM）作为碱性聚电解质燃料电池的核心部件之一，其应用仍受制于低离子传导率和低稳定性。本申请提出基于“连续网络”思想的离子通道网络设计方法，拟通过物理共混、核-壳共聚和表面接枝，将少量的离子交换基团负载于热塑性聚合物微球(尺寸可低至约10 nm)表面或界面，巧妙利用聚合物微球的界面限域作用，通过热压，控制阳离子交换基团有序分散于热压后的相邻聚合物相区之间界面，构建三维连续的高效、稳定离子通道网络，并通过网络结构的调控，获得在极低离子交换能力（IEC）条件下，具有高离子传导率和高机械稳定性的优异AEM。

阴离子交换膜（AEM）作为碱性聚电解质燃料电池的核心部件之一，其应用仍受制于低离子传导率和低稳定性。本项目提出基于“连续网络”思想的离子通道网络设计方法，拟通过物理共混、核-壳共聚和表面接枝，将少量的离子交换基团负载于热塑性聚合物微球(尺寸可低至约10 nm)表面或界面，巧妙利用聚合物微球的界面限域作用，通过热压，控制阳离子交换基团有序分散于热压后的相邻聚合物相区之间界面，构建三维连续的高效、稳定离子通道网络，并通过网络结构的调控，获得在极低离子交换容量（IEC）条件下，具有高离子传导率和高机械稳定性的优异AEM。项目实施期间，主要按照原计划的三个方案开展了研究，但因为遇到一些困难，未能按照原方案完成目标。但项目组研究人员依据高效离子通道设计思想，利用季铵化纳米纤维素、静电纺丝纤维、互穿聚合物网络等方法，构建了高效离子网络，完成了制备了性能优异的AEM的目标，为高性能尤其是高电导率AEM的制备提供了多种参考策略。项目期间发表SCI论文4篇，EI论文1篇；受邀请报告2次；培养硕士毕业生2名，在读博士生2名，在读硕士生2名；以项目成果之一IPN AEMs为思想，成功申请国家自然科学基金面上基金1项。