直接甲醇燃料电池用聚苯类电解质膜的分子设计及降解机理

This project study on polyphenylene(PP) polymer electrolytes membranes(PEM) with high proton conductibity，high dimensional stability and low methanol permeability. 1) Firstly, the polymers will be preparated using the functional monomer with novel structure, it focuses on improving the tenacity of the side chain PP electrolytes membranes by adjusting the structure of main chain, meantime, the dimensional stability must be maintened. 2)Secondly, the polymers with active groups on its side chaine will be preperated, and then the crosslinked PEM which exhibiting microphase-separated structure will be designed by reacting with sulfonated oligomer having double fuctional groups to improving the methanol diffusion resistance and proton conductivity of membranes. 3) Thirdly, novel sulfonated polyphenylene-block-polyimide PEM with side chain will be designed to improving proton conductivity and methanol diffusion resistance. The property of novel membranes will be investigated to clarify the degradation mechanism and ralationship of structure and property. The project will provide a theoretical basis for the design of high performance PEM.

磺化聚对苯( SPP)类电解质膜具有尺寸稳定性好、电导率高等优点，但要应用于直接甲醇燃料电池（DMFC），在成膜性能、甲醇透过性及甲醇溶液中的稳定性等方面需要做出较大的改进。本项目以聚对苯（PP）为研究对象，通过分子设计及结构优化，研究基于SPP的高电导率、高稳定性、低甲醇透过率的侧链型电解质膜。1）首先设计新型结构的功能单体，并进一步合成聚合物，通过调节主链结构，提高侧链型PP电解质膜韧性的同时、保持较好尺寸稳定性；2）合成侧链含有活性基团的聚合物，通过与具有双功能基团的磺化低聚体反应，设计具有交联结构、同时形成亲水/疏水微相分离结构的接枝型电解质膜，提高阻醇性能和质子导电率；3）引入聚酰亚胺链段，设计合成新型侧链嵌段型SPP电解质膜，提高质子导电率及阻醇性能。在综合考察新型膜性能基础上，解明其结构与性能的关系及降解机理，为开发其他种类高性能电解质膜提供思路及理论依据。

本项目开展了磺化质子交换膜及季铵化阴离子交换膜的研究，以聚苯、聚苯醚砜为聚合物基体，通过复合、交联、嵌段、枝化、掺杂等方法进行改性，并探讨上述材料的微观形貌与其聚合/改性方法、物性等联系。经过交联、复合及嵌段处理得到的改性磺化聚苯醚砜膜，热稳定性好，机械强度高，具有较高的质子导电率，与未改性膜相比高温高湿条件下的尺寸稳定性及耐水稳定性大大提高。纳米TiO2掺杂2%改性后的磺化聚苯醚风膜，各性能均比非掺杂膜有较为明显的优势。通过耦合反应，设计合成的新型磺化聚苯-芳醚酮（SPP-co-PAEK）膜中，IEC为2.0 mmol/g的SPP-co-PAEK(3/1)膜具有较高的发电性能。通过亲核取代反应得到了支链交联型PAEK-gc-SPAES聚合物，侧链型的亲水低聚物在聚合过程中同时充当了交联剂。此聚合物具有明显亲水-疏水微相分离结构。尽管IEC相对较低，但其在低湿度条件下仍然维持了的较高的电导率。最后，通过侧链离子基团自交联反应，成功制备了一系列季胺化聚醚砜类阴离子交换膜，表现出较高的离子导电率及稳定性。