侧链型光敏性聚芳醚阴离子交换膜的制备及性能研究

Alkaline anion exchange membrane fuel cell is one of the most promising environmentally-friendly power sources that have the potential to overcome many obstacles of the mainstream proton exchange membrane fuel cells in cost, catalyst stability and efficiency. However, the low ionic conductivity and poor alkaline stability of current anion exchange membranes have been the key factors limiting its performance. In this project, we are going to design and synthesize several types of side-chain-type photosensitive poly(arylene ether) anion exchange membranes containing chalcone as crosslinkable group and aliphatic-heterocyclic quaternary ammonium as conductive group. High ionic conductivity is expected to be obtained through micro-phase separation by adjusting the length of spacer and the number of conductive group. Photocrosslinked anion exchange membrane will be obtained by UV irradiation at room temperature without photoinitiator in a swollen state. The crosslinked membrane is expected to show better alkaline stability, thermal stability, dimensional stability and mechanical property while maintaining the high ionic conductivity. The effects of membrane structure and crosslink condition on membrane morphology and performance will be fully investigated. The optimal crosslink condition and crosslinked membrane of each polymer will be obtained, and the fuel cell performance of the obtained membranes will also be studied. The resulted membranes could be a promising materials for alkaline anion exchange membrane fuel cell.

碱性阴离子膜燃料电池是一种极具前途的清洁能源，它可以克服质子交换膜燃料电池所遇到的成本高、催化剂不稳定和效率低等问题。然而现有阴离子交换膜的低离子传导率和差稳定性限制了它的发展。本项目将设计合成几类含查尔酮光敏基团和脂肪族杂环季铵盐传导基团的侧链型光敏性聚芳醚阴离子交换膜材料，通过调整侧链长度和传导基团的数目得到具有微相分离的膜结构从而获得高离子传导率的阴离子交换膜，然后通过在溶胀状态下对聚合物膜进行UV光照射得到交联膜的方法，在保持高离子传导率的同时提高阴离子交换膜的耐碱性、热稳定性、尺寸稳定性和机械强度等。研究聚合物的不同结构以及不同交联条件对阴离子交换膜的微观形态和性能的影响。掌握各类不同结构聚合物的最佳交联条件并制得性能最优的阴离子交换膜，测试所得阴离子交换膜用于燃料电池后的单电池性能。此类阴离子交换膜很有希望成为能够实际应用于碱性阴离子膜燃料电池的材料。

我国提出力争于2030年前碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。开发利用新型清洁能源是达到这个目标的重要手段。随着新能源产业的发展，聚合物电解质膜燃料电池以其高效、环保、可持续等优点在新能源领域中脱颖而出，已在航空航天、汽车、便携式电源等方面得到了广泛的应用。根据传输的离子种类，聚合物电解质膜燃料电池分为质子交换膜燃料电池与阴离子交换膜燃料电池。其中阴离子交换膜燃料电池拥有更快的氧还原反应动力学，可以使用非贵金属催化剂从而大幅降低成本，阴离子交换膜是核心部件之一，它的性能关系到燃料电池的发电效率和长期稳定使用。然而阴离子交换膜现在仍面临着离子传导率低、耐碱性差和机械稳定性不足等问题，严重制约着阴离子交换膜燃料电池的发展。因此开发制备高性能阴离子交换膜有着举足轻重的意义。通过分子结构设计，合成了几种光敏性聚芳醚，并对产物进行表征以及性能研究，采用溶液浇铸法将制得的聚合物制备成阴离子交换膜，使用溶胀光交联法在常温下对膜进行UV光照射制得交联膜（不需要光引发剂），通过对UV照射时间和强度的控制来准确控制膜的交联程度，优化制备交联膜的方法和条件。研究了交联前后膜的离子交换容量、吸水率、溶胀率、机械性能、热稳定性、耐碱性、传导率以及微观形态等。系统地研究了膜的制备方法及条件、交联方式及交联程度、聚合物的结构等对阴离子交换膜性能的影响以及各性能之间的关系。制得的阴离子交换膜在80℃时的传导率超过120mS/cm，在60℃的碱溶液中20天后仍然可以保持90%以上的传导率，本研究针对目前阴离子交换膜发展所面临的挑战，为制备综合性能优异的阴离子交换膜材料提供了一定参考。