新型拓扑结构悬垂型阴离子交换膜的设计与制备

Currently, the development of anion exchange membranes (AEMs) for fuel cells applications is facing a serious difficulty, the conductivity-stability dilemma. To address this issue, this project is willing to synthesize novel pendant type AEMs with dendrimer or star shaped structure. These structures possess intrinsic ionic clusters with suitable size and uniform distribution, which will form connective ionic channels accompanied by the penetration of water molecules. Thus, ideal micro-morphologies can be expected. The combination of polymers with amino groups and "grafting from" strategy is used for constructing the dendrimer shaped architecture; cyclodextrin is used for constructing the star shaped architecture. By investigating the properties and morphologies of AEMs prepared by obtained polymers, the proposed micro-morphologies in this project proved to be successful in improving hydroxide conductivity, retarding swelling and enhancing stability. This project will provide valuable theoretical basis and technical support to develop AEMs, promoting the commercialization process of fuel cells.

针对现有燃料电池用阴离子交换膜综合性能不佳，电导率和稳定性此消彼长，本项目拟构建尺寸合适、分布均一的离子簇在水分子的作用下形成贯穿离子通道的微观相分离形貌图，开展具有树枝结构和星型结构悬垂型阴离子交换膜的研究。利用氨基聚合物，结合“grafting from”策略实现树枝结构的搭建；利用环糊精实现星型结构的搭建。通过将聚合物制备成膜，并对其性能和形貌进行研究，验证新型微观相分离形貌在提高阴离子交换膜材料电导率、耐溶胀性和稳定性的有效性。本项目的实施将为阴离子交换膜的发展提供理论依据和技术支持，推动燃料电池商业化进程。

针对现有燃料电池用阴离子交换膜综合性能不佳，电导率和稳定性此消彼长，本项目构建了尺寸合适、分布均一的离子簇在水分子的作用下形成贯穿氢氧根离子传输通道的微观相分离形貌。本项目按计划进行，借助于分子动力学模拟，开展了一系列接枝型阴离子交换膜的设计和制备：（1）通过可控活性聚合接枝超疏水的含氟接枝链，促进离子化主链的聚集，形成直通且贯穿的离子通道;（2）通过接枝双疏水链，促进离子化主链的聚集形成离子通道。并通过精确调节接枝链的碳链长度，找到具有微相分离程度最高的结构;（3）通过在聚合物主链上密集接枝离子链，在分子层面上构建离子簇，实现具有尺寸均一的离子簇的形貌构建。在微观形貌构建成功的基础上，对基于以上几种结构的聚合物所制备的膜的宏观性能进行考察，包括耐溶胀性能，氢氧根电导率、碱性稳定性和机械性能，发现以上结构均能够在稳定性的保持和电导率的提升上发挥作用。最后，将这些阴离子交换膜成功组装在燃料电池中，获得了较高的功率密度。在解决稳定性和电导率的矛盾基础上，并基于以上研究工作的结论，继续开展了在离子聚合物中掺杂具有保湿功能的“蓄水池”的研究工作，以挑战阴离子交换膜在高温、低湿下的使用性能。“蓄水池”的添加使得阴离子交换膜在低湿度下能够正常工作，因而在高温下也输出了较为优异的功率密度。本项目的实施为阴离子交换膜的发展提供理论依据和技术支持，推动了燃料电池商业化进程。研究成果以论文和专利形式呈现，包括Journal of Membrane Science论文1篇，Journal of Materials Chemistry A 论文2篇，申请专利1项。