胍基阴离子交换膜材料的合成及性质

氢及甲醇燃料电池是未来的清洁能源技术。离子交换膜是燃料电池中的关键材料。目前质子交换膜在应用中存在燃料渗透、高温使用性差、催化剂的品种少等缺点。与之相比，阴离子交换膜则具有明显的优势：燃料渗漏小、催化剂活性高、选择范围广等。然而，阴离子交换膜存在电导率低、碱性条件下化学稳定性差等缺点，是急需解决的关键科学问题。针对上述问题，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性质研究。研究胍基聚合物的合成方法及其性能；胍的结构与膜性能的关系；阴离子交换膜的成膜工艺对离子导电率的影响，膜的相分离结构对导电率的影响。通过此项研究，解决阴离子交换膜离子导电率低、化学稳定性差等问题，为开发高性能阴离子交换膜材料奠定基础。

针对阴离子交换膜的电导率低、化学稳定性差、高离子交换能力（IEC）条件下膜的尺寸稳定性差等关键科学问题, 本项目设计合成了含有优异稳定性的胍基阴离子交换膜聚电解质。研究了胍的分子结构与膜的离子导电性和稳定性的关系, 讨论了模型化合物在碱性条件下降解方式和可能的机理。探讨了膜的尺寸稳定性、吸水率及离子导电率与胍的分子结构的关系。通过胍基结构的调控，合成了具有优异稳定性和良好相分离结构的阴离子交换膜材料。胍盐聚芳醚砜阴离子交换膜在全水状态下的OH-离子传导率达到10-2 S/cm以上，达到了燃料电池对离子交换膜材料的要求。通过在胍盐阴离子交换膜中引入适当的交联结构，解决了阴离子交换膜在高 IEC 值下尺寸稳定性差的问题。由于提高了IEC，离子导电率也得到了提升。 室温条件下，交联胍基阴离子交换膜的离子导电率达到0.084 S cm-1，与商业化的质子交换膜Nafion膜相似。在阴离子交换膜中引入稳定性好的胍基阳离子，提高了膜的稳定性。引入交联结构，解决了阴离子交换膜尺寸稳定性差的问题。通过本项目的研究，提供了一种制备高性能阴离子交换膜的方法。