聚苯并咪唑类高温快质子导体膜制备及电导率提升机制研究

高温、低湿度质子交换膜的研究是聚合物膜燃料电池的技术核心和关键。聚苯并咪唑高温质子交换膜是开发最成功的品种之一，但是，还存在电导率低、耐久性差等问题。有必要对膜电导率的提升机制进行研究。本项目用PBI分子设计、高分子侧链化学修饰及新型膜材料的制备方法，特别是构筑质子通道、高温质子导体的锚钉等方法，探索耐久性好，可高温、低湿度下使用的快质子导体膜材料的制备方法，解决通常PBI膜电导率低，耐久性差等问题。开展质子通道的构筑方法、新型质子导体的掺杂、自组装和锚钉等关键科学问题的研究。研究高温燃料电池多孔电极微区电化学、界面化学及其传质理论。揭示高温、低湿度快质子导体制备过程中的规律。该项目的研究为高温、低湿度质子交换膜的制备提供理论指导，为高温燃料电池、电化学传感器、光敏化太阳能电池、超级电容器、电解等奠定物质基础。具有重要的理论研究价值和广阔的应用前景。

高温、低湿度质子交换膜的研究是聚合物膜燃料电池的技术核心和关键。本课题研究了聚苯并咪唑（PBI）类高温快质子导体膜制备及电导率提升机制,其目的是制备电导率高、耐久性好、可高温、低湿度下使用的质子交换膜。解决PBI类质子交换膜电导率低、掺杂的质子酸已流失、氧化环境易降解、干湿变形性大、难以成膜和导电机理不明等问题。研究了新型的PBI原料（芳香四胺和二酸）的制备方法，以制备新型的PBI高分子材料，降低PBI成本；研究了制备不同聚合度的PBI方法和工艺，掌握了制备不同类型的PBI基质子交换膜制备方法；发明了2种端氨基保护的方法，提高PBI的抗氧化性能，提高PBI膜的耐久性；发明了几种高温质子导体的制备方法，解决磷酸掺杂的PBI膜电导率低和高湿度下已流失的问题，掺杂新型高温质子导体的复合质子交换膜可提高膜的电导率及耐久性；研究了PBI掺杂高温质子导体制备复合质子交换膜的方法和工艺，提高了膜的电导率、机械性能和干湿变形性；采用氧化聚丙烯腈、玻璃纤维等支撑材料制备复合膜提高了膜的机械性能和干湿变形性；研究了用环氧树脂、芳香二苄基化合物等作为交联剂制备交联复合质子交换膜，提出了高温质子导体掺杂的新工艺，解决了复合膜的抗氧化性能和电导率；研究了PBI膜的抗氧化性能，提出了PBI在原子态氧下的氧化反应机理，明确了复合膜提高抗氧化性能的思路；研究了复合膜质子传导机理，得到了膜的组成、结构、价键形态、相对湿度等因素对质子传导机理的影响，提出了提升质子传导性能的机制。本课题的研究为制备PBI基电导率高、耐久性好、可高温使用的质子交换膜提供了思路。