多孔有機(jī)聚合物離子膜材料研究取得新進(jìn)展
燃料電池可以高效率的將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其中堿性離子膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)70%（圖1），對(duì)該領(lǐng)域的研究有望解決化石燃料枯竭及環(huán)境污染問(wèn)題。對(duì)堿性陰離子交換膜的核心部件——陰離子交換膜的研究已成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)、重點(diǎn)問(wèn)題，其中關(guān)鍵的科學(xué)問(wèn)題包括如何提高陰離子交換膜的離子傳導(dǎo)性能；如何增強(qiáng)其機(jī)械性能，尤其在含有高密度離子交換基團(tuán)時(shí)，膜材料的機(jī)械性能問(wèn)題；如何獲得強(qiáng)堿性條件下的高穩(wěn)定性。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，中國(guó)科大功能膜研究室與國(guó)際同行合作，利用Troger’s Base結(jié)構(gòu)中V型的剛性結(jié)構(gòu)，阻止聚合物鏈段的有效堆積，首次制備了系列自具微孔結(jié)構(gòu)的陰離子交換膜材料，實(shí)驗(yàn)中所涉及的單體來(lái)源于商業(yè)化的小分子，合成過(guò)程簡(jiǎn)單，不需高溫高壓，在室溫下使用常用試劑即可完成。膜內(nèi)微孔尺寸大小在0.8 nm左右，其BET表面積在38-899 m2/g，對(duì)所獲得的陰離子交換膜離子傳導(dǎo)特性研究發(fā)現(xiàn)，該類膜材料可以在非常低的離子交換容量下，實(shí)現(xiàn)超高的離子傳導(dǎo)特性，比如在離子交換容量?jī)H為 0.82 mmol/g時(shí)，DMBP-QTB膜的OH-電導(dǎo)率可高達(dá)164.4 mS/cm，遠(yuǎn)高于其他已報(bào)道的陰離子交換膜(圖2)。
圖1. Troger’s Base基高電導(dǎo)性能陰離子交換膜及潛在燃料電池應(yīng)用
圖2. Troger’s Base陰離子交換膜離子傳導(dǎo)性能
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這一研究結(jié)果表明，多孔有機(jī)聚合物中貫通的孔道結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)現(xiàn)陰離子的快速傳遞具有重要意義；陰離子在受限空間中具有不同于致密膜結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)特性。審稿人評(píng)價(jià)認(rèn)為：“相關(guān)成果以“Highly Conductive Anion Exchange Membranes from Microporous Tr?ger’s Base Polymers”為題發(fā)表于《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》期刊 (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605916).
論文第一作者為中國(guó)科技大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院楊正金博士后，徐銅文教授、Neil. B. McKeown和Michael D. Guiver為論文的共通訊作者，該研究工作得到了科技部973項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（iChEM）、中國(guó)博士后基金項(xiàng)目和青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)來(lái)源的支持。
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?原文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/anie.201605916/abstract
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