非共价键结合侧链型离子交换膜的设计制备及应用基础研究

From the viewpoint of structure-morphology-performance relationship of ion exchange membrane(IEM),this project is willing to develop novel ion exchange membranes with a unique architecture, more flexible hydrophilic cyclic side chains incorporated into a hydrophobic backbone by non-covalent bonding, by atom transfer radical polymerization, click chemistry and host-gest interaction. It is noted that ions generally transport in the center of the fully hydrated domains in IEMs. However, in a lower hydration degree or in the hydrophilic and hydrophobic interfacial region,ions transport is retarded, as a result of confinement in an environment where the water and ions are perturbed by the bound nature of counter ions groups fixed in IEMs. Herein, the non-covalent bonded side chains bearing ionic groups will allow significant mobility to depress the confinement effect by increasing mobility of functionalized moieties.Thus, an in-depth study will provide persistent enthusiasm for membranologists who are interested in either the fundamental understanding of structure-property relationship or the practical applications in fuel cells and other membrane separation processes.

本课题从离子交换膜结构-形貌-性能关系的角度，拟通过活性自由基聚合、点击反应及冠醚的主客体识别技术，设计合成非共价键结合型聚合物侧链，制备相应离子交换膜并进行结构表征研究，探索非共价键结合侧链在膜内聚集形貌及在PH值或温度诱导下可自由转动的条件,研究由此引起的膜离子传导通道内部的电场局部扰动程度，从而验证可自由转动非共价键结合侧链有利于增加有效的离子传导区域，提高离子传导效率。本课题一旦成功，不仅能实现离子交换膜制备的新突破，而且还能建立一个新的高效离子传导模型，为离子膜在膜分离领域广泛应用,特别是燃料电池领域提供强有力的理论支持和技术支撑。

项目执行期间，围绕任务书，积极开展侧链型离子膜材料开发及结构、膜微观形貌和膜离子传导性能关联研究，完成任务书指标，获得如下成果：.1. 成功开发系列化学键结合侧链型离子膜。如设计了低接枝密度，高接枝链长度的棒-线状聚合物，并通过分子动力学模拟系统研究其离子传导通道构建，获得高离子电导离子膜，为进一步提高其稳定性，将功能化侧链原位交联，构建高稳定性离子传导通道，基团分布在交联网络中，在有效提高膜的机械强度、耐溶胀和耐碱性的同时，保持膜有较高的功能基团密度，提高其OH-传导性。最终交联膜IEC保持在1.8 mmol g-1以上，尺寸变化率小于5%，电导率在室温下大于30 mS/cm。与传统方法相比，该方法不需要溶剂，聚合反应的同时成膜，减少制膜工序，具有良好的应用前景。.2. 设计制备出系列非共价键结合侧链型离子膜。针对化学键结合型离子膜离子化侧链移动性差问题，我们从改善膜内部离子传导环境角度入手，成功将含有质子化二级胺基团的链段嵌入含冠醚高分子主链中并封端制备出“穿梭”侧链型离子交换膜。与文献报道共价键结合侧链型阴离子交换膜相比，在膜在低离子交换基团含量情况下，OH-离子电导率在30 oC时最高能达到60 mS/cm，验证了非共价键结合链段局部“穿梭”对离子传导的促进作用。该研究的创新在于，这种特殊的“穿梭”侧链构型使得离子交换膜摆脱了离子传导性能对功能基团含量的依赖，从改善膜内部传导环境角度提出了一种全新的离子传导机制。.总之，项目执行至今，在新型离子膜的制备、表征、应用等共发表SCI收录论文8篇，受邀在国内外学术会议做口头报告5次，申请发明专利1件。