基于纳米纤维素诱导的环糊精-聚乙烯亚胺/聚苯乙烯高性能阴离子交换膜的设计与制备

Designing and constructing an effective ion-conducting network is a key issue in the research of high-performance anion-exchange membranes (AEMs). It is an effective way to construct a three-dimensional network by self-assembling ionic group fillers on the surfaces of polystyrene latex particles. However, how to build a high-order ordered microstructure in a polystyrene matrix is the key to the practical application of this method. This project intends to electrostatically complex nano-cellulose (CNs) with the unique surface physicochemical properties and nano-sized structure and cyclodextrin-polyethyleneimine (CD-PEI) molecules to regulate the orderly distribution of ion groups. Based on the templating effect of CNs on self-assembly of polystyrene latex particles, a three-dimensional ion channel network was constructed to fabricate AEM with low ion exchange capacity (IEC), high-efficiency ion conduction efficiency, and good mechanical properties. And, the relationship between ion conductivity and mechanical properties was studied. This project intends to provide new principles and methods for the preparation of high-performance AEM, and it also provides a new technical route for the functional utilization of cellulose.

设计和构建有效的离子传导网络是高性能阴离子交换膜（AEM）研究的核心问题，通过离子基团填料在聚苯乙烯乳胶粒子表面自组装构筑三维网络是一种有效途径。然而，如何在聚苯乙烯基体中构建高维度的有序微结构，是该方法获得实际应用的技术关键。本项目拟利用纳米纤维素（CNs）独特的表面物理化学特性和纳米尺寸结构，与环糊精-聚乙烯亚胺（CD-PEI）分子静电复合，调控离子基团的界面有序分布；进而，基于CNs在聚苯乙烯胶乳粒子表面自组装的模板化作用，构筑三维离子通道网络，制备具有低离子交换容量(IEC)、高效离子传导效率和良好力学性能的AEM，揭示材料的微观渗流网络与离子传导性能、机械性能之间的关系。本项目拟为高性能AEM的制备提供新原理新方法，同时也为纤维素的功能化利用提供新的技术路线。

针对设计和构建阴离子交换膜内有效离子传导网络这一核心问题，本项目突破纳米纤维素诱导的环糊精-聚乙烯亚胺/聚苯乙烯组装体难以平衡膜力学性能和离子传导性的局限，巧妙利用纤维素网络代替聚苯乙烯微球的界面限域作用，控制阳离子基团在聚合物基体内的有序分散从而构筑三维离子通道网络，并提出了基于多元共聚物与聚乙烯亚胺、聚砜与聚乙烯亚胺/聚乙烯亚胺改性多维度纳米粒子和聚季铵盐-10的阴离子交换膜的设计制备思路。聚焦研究目标，深入研究了不同体系高效离子传导网络结构的构筑方法及其实现途径，揭示了构筑方法和制备条件对离子传导网络结构及离子传导效率的影响规律；深入研究了所构筑离子传导网络结构对OH-的传输特性和膜机械稳定性的促进作用以及OH-的传输机制，揭示了材料内部的微观渗流网络与离子传导性能、机械性能、化学稳定性能之间的关系。围绕聚合物网络体系的离子传导性能及构效关系取得了如下成果：（1）以纤维素网络为诱导模板实现了复合阴离子交换膜内部离子传导基团的有序可控分布，为在膜内构筑连续、高效的三维离子传导通道探索了新方法；（2）从分子设计角度出发，将化学稳定性优良的多元共聚物与可完善微相分离结构的离子传导基团相结合，可实现膜离子传导率和尺寸/化学稳定性的双赢；（3）从构筑区域密集型离子簇出发，支化型离子传导聚合物及其改性的多维度纳米粒子有利于阴离子交换膜内部离子传导官能团的区域聚集，促进膜内连续离子传输通道的搭建，从而显著提高膜的离子电导率；（4）从互穿网络结构设计出发，由商品化离子传导聚合物聚季铵盐-10参与构筑的无芳基醚键全互穿聚合物网络可以简便实现离子传导率和化学稳定性的同步优化。本项目阐明了阴离子交换膜微观形态结构与宏观性能的对应关系，揭示了离子传导网络的形态演变规律和形态调控机制以及离子传导机理，发展了阴离子交换膜内有效离子传导网络形态调控的新技术。