交联季胍盐型阴离子交换膜的制备及其在碱性燃料电池中的应用研究

For anion polymer electrolyte membrane, it is crucial to enhance the ion conductivity and durability under alkali conditions for their application in practical alkaline direct methanol fuel cell system. We will carry out the research for the synthesis and property of guanidine alkaline anion exchange membrane, owing to good chemisty stability and high temperature resistance of guanidinium under alkaline conditions. Through controlling the proportion of functional monomers and crosslinking agent and using the graft or self crosslinking methods, new anion exchange membranes having the high stablility, micro-phase separated structure and good alcohol resistant performance can be exploited. This project is expected to improve the conductivity and stabilty of alkaline anion exchange membranes and establish good foundation for developing the anion exchange membrane materials with high performance.

解决碱性聚合物电解质膜电导率和稳定性偏低的问题是实现碱性DMFC实用化的关键之一, 是急需解决的关键科学问题。本项目基于胍盐所具备的碱性条件下化学稳定性好、耐高温等优良的性质，拟开展胍基碱性阴离子交换膜的合成及电池性能的研究。通过控制调控功能单体与交联剂的比例，采用接枝、自交联等方式开发具有稳定高、微相分离结构及阻醇性能良好的交联阴离子交换膜。本项目的实施有望在提高阴离子碱性聚合物电解质膜电导率和稳定性方面取得突破，为开发高性能阴离子交换膜材料奠定基础。

离子交换膜作为燃料电池的重要组件之一，主要起到隔绝燃料和传导离子的功能，其性能直接影响燃料电池的性能。尤其是，基于阴离子交换膜的燃料电池能够摆脱对贵金属 Pt 的依赖，可使用价廉易得的、稳定的过渡金属及其氧化物作为电催化剂，具有更广阔的实际应用前景。目前，国际上对阴离子交换膜的相关研究仍处在起始阶段，解决阴离子交换膜电导率和碱稳定性偏低的问题仍然是极具挑战的课题，也是实现碱性燃料电池实用化的关键。.针对如上问题，本项目开展如下四方面的研究工作。首先，详细研究了不同取代基(烷基、芳基)对胍盐阳离子碱稳定性的影响以及胍盐阳离子的降解机理，揭示了芳基取代基利于胍盐阳离子碱稳定性提高的规律。其次，通过设计、制备具有微嵌段结构的聚苯型阴离子交换膜材料，系统研究其分子结构与膜的微结构及性能的关系，提出了新型耐碱阴离子交换膜材料的分子设计模型。然后，围绕阴离子交换膜吸水溶胀严重和碱稳定性能差的问题，利用接枝反应和静电自组装机制，建立了在均质膜内构建Si-O-Si交联网络来制备交联型阴离子交换膜的新方法，为设计具有良好碱稳定性的阴离子交换膜材料提供新的思路。最后，利用具有良好碱稳定性的阴离子交换膜材料组装成电池，其碱性甲醇燃料电池性能显示其功率密度达到12.40 mW cm-1。这些特定分子设计模型和交联策略的运用，不仅实现了膜微观形貌的精确调控和离子传导通道可控构建，而且实现了阴离子交换膜电导率和碱稳定性的协同提高，对开发面向实际应用的高性能碱性阴离子交换膜材料具有指导意义。