基于自有微孔聚合物（PIMs）的交联型超微孔阴离子电解质膜的研究

Anion electrolyte membrane (AEM) is one of the key components for alkaline AEM fuel cells. Relatively low ionic conductivity and poor durability are the main problems hindering the development of AEMs. Polymers of intrinsic microporosity (PIMs) have characteristics of micropores and interconnected microphase nanostructure due to the incomplete stacking of macromolecular chains, and thus have great potential as ionic conduction channels in AEMs of alkaline fuel cell. This proposal focuses on fabrication of a series of crosslinked ultramicroporous AEMs based on PIMs through polymeric design and syntheses to gain controllable molecular composition, microporous distribution, and interconnected channel structure. The PIMs will be modified with ionic functional groups and crosslinkers to be endowed with both conducting performance and stability. The anionic transport mechanism and gas permeation property in the ultramicroporous PIMs-AEM will be studied theoretically. Aiming at the performance improvement for AEMFCs, the project will describe the “structure-property” correlation between PIMs-AEM molecular composition, microstructure, ionic conductivity, membrane stability and gas permeation, and finally provide effective novel methods to improve the performance of AEMs.

阴离子电解质膜（AEM）是碱性膜燃料电池的核心组件之一。目前离子电导率偏低和稳定性较差是制约AEM发展的两大难题。自有微孔聚合物（PIMs）所具备的由大分子链不完全堆积而形成的高孔隙率且相互连通的纳米相分离结构，十分适合作为燃料电池碱性电解质膜的离子传输通道载体。本项目将制备一系列基于功能化PIMs的交联型超微孔阴离子电解质膜，通过分子设计、共聚合反应来调控PIMs分子组成、孔隙分布和贯通性；通过离子化基团修饰和交联方法赋予其导电性和稳定性，探明超微孔交联膜PIMs-AEM微通道中阴离子的传输机制和气体渗透行为及其相互作用机理；以提高碱性阴离子膜燃料电池性能为导向，阐释超微孔PIMs-AEM分子组成、微观结构与离子传导率、稳定性及气体渗透性的构效关系，为获得高性能燃料电池阴离子电解质膜材料提供新思路。

离子交换膜的电导率和稳定性是制约聚合物膜燃料电池性能和成本的重要因素，阴离子交换膜（AEM）是碱性膜燃料电池的核心组件之一。本项目聚焦于微孔型聚合物电解质膜的构效关系，成功制备出基于季铵化自有微孔聚合物材料（PIMs）的阴离子交换膜，论证了其微孔结构对阴离子传导的独特优化作用，阐述了微观连通性亲水区构成的离子传输通道与离子电导率的构效关系。提出了一种获得高分子量PIM聚合物的合成工艺方法，通过提高PIMs基体材料的分子量制备了具有高机械强度及稳定性的电解质膜，同时证明了微孔结构并不会造成显著的氢气渗透等不利影响，尤其是在燃料电池实际应用的高湿度环境下，由于微孔被水分子占据从而有效阻碍了氢气渗透，打破了基于PIMs的气体分离膜因容易透过气体而不能应用到燃料电池领域的传统认知，为开发新型高效的AEM材料提供了指导思路与科学依据。本项目将微孔结构与离子传导特性的构效关系这一研究重点，拓展到其他多孔材料的研究中，如超交联聚合物。联系燃料电池的实际构型和环境适应性需求，探索了AEM的微观取向结构对燃料电池性能的影响。另外，对微孔结构、构效关系的关注也拓展到了与AEM相似的质子交换膜领域，这进一步证明了本项目研究思路与研究内容对高性能离子传导型电解质膜材料具有普遍的科学意义。在项目执行期内，累计发表13篇SCIE科研论文，其中SCIE一区论文12篇，包括Nature Energy、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie等比较有影响力的期刊。授权国家发明专利3项；申请美国、日本、韩国专利各1项，其中日本专利已授权。