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山西煤化所在阴离子交换膜方面取得新进展

  

  与质子交换膜燃料电池相比,基于阴离子交换膜的碱性燃料电池具有可使用非贵金属催化剂、电极反应速率高等优点,近年来受到广泛的关注。然而,到目前为止,尚未开发出一种与传统质子交换膜(如Nafion)相媲美的阴离子交换膜,这主要是由于基于有机阳离子的阴离子交换膜的碱性稳定性较差、阴离子传导率较低。山西煤化所李南文研究员课题组采用高效的点击化学合成方法,成功制备不同结构的季铵盐型阴离子交换膜(包括侧链型、梳型、侧链/梳型等),并系统研究阴离子交换膜材料的化学结构、膜性能与燃料电池寿命之间的关系。研究结果表明,侧链型阴离子交换膜虽然具有较高的氢氧根离子电导率(38.7 mS/cm20 ºC)和碱性稳定性(10 M NaOH80 ºC200 小时),但是其碱性燃料电池的寿命较短,这主要是由于膜材料中的侧链型季铵盐发生了降解反应;而碱性稳定性差的苄基三甲胺季铵盐阴离子交换膜的燃料电池寿命较长,并且在电池寿命测试前后,其化学结构没有发生明显变化。该发现为未来阴离子交换膜材料的设计和制备提供了重要的科学参考。相关工作近期发表在Energy Environ. Sci., 2018, DOI: 10.1039/c7ee02468a. 

  近年来,李南文研究员的研究团队利用高效的“点击化学”反应,在聚合物中定量的引入具有不同结构的有机阳离子基团和其他功能基团(如交联基团、诱导相分离基团等),制备出性能优异的阴离子交换膜材料。通过“点击化学”反应和烷基化反应,得到1,2,3-三氮唑盐阴离子交换材料,并利用模型化合物,研究了1,2,3-三氮唑盐阴离子交换膜的降解机理(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 46514660)。通过定量的引入可交联的叠氮基团,采用热交联的方法,得到高电导率,低吸水率的交联的阴离子交换膜材料,该方法有效地抑制了膜在水中的溶胀(J. Membr. Sci., 2016, 509, 48–56)。通过引入长的输水链段,得到了具有亲水-疏水相分离结构的阴离子交换膜材料,有利于膜内阴离子的传输,其室温下氢氧根离子电导率达到50.9 mS/cmJ. Mater. Chem. A, 2017, 5, 10301–10310)。 

  该工作得到了国家自然科学基金委、中科院百人计划、山西省百人计划、山西省青年面上基金项目的资助与支持。 

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