高温聚合物电解质膜的微观相分离结构设计与性能调控

　　磷酸掺杂型聚合物电解质膜因其在高温低湿/无水条件下表现出高的质子传导率、良好的化学及热力学稳定性等优点，被认为是最具有应用前景的高温聚合物电解质膜（HT-PEM）。但这类膜的力学性能与质子传递性能之间存在trade-off效应，微观相分离结构设计对性能调控的策略成功解决了低温聚合物电解质膜的力学性能与质子传导率之间的平衡问题，尚未应用于HT-PEM材料的设计与研究。北京航空航天大学仿生能源材料与器件北京市重点实验室首次提出HT-PEM的微观相分离结构设计理念，对HT-PEM的微观相分离结构设计和性能调控进行了全面、系统的深入研究。相关的研究成果发表在2019年572和592卷的《Journal of Membrane Science》上以及2019年443卷的《Journal of Power Sources》上。 

　　该研究组通过傅克反应和原子转移自由基聚合方法将锚定磷酸的含氮功能基团（如2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、乙烯基咪唑等）接枝到聚砜分子主链，获得系列具有不同侧链结构的聚合物高分子材料。研究结果表明侧链结构有利于磷酸掺杂高温质子交换膜微观相分离结构的形成，侧链结构上的含氮功能基团吸收磷酸后形成亲水离子团簇，与憎水的主链形成微观相分离区域，该区域一方面为质子的传输提供快速通道，另一方面由于磷酸在亲水区的聚集降低了磷酸分子对高分子主链的塑化作用，使膜材料同时兼顾良好的力学性能和质子传递性能。此外，该组在上述研究的基础上，继续设计研制主链型微观相分离聚联苯哌啶膜材料，采用北京小角同步辐射装置（SAXS）测得优化的膜材料离子簇尺寸为2.58 nm，质子传导率高达0.096 S cm^-1，同时拉伸强度达到12 MPa，实现了质子传递性能和力学性能的共赢。基于此类膜材料的高温聚合物电解质膜燃料电池，在180 oC时最高输出功率密度可达1.2 W cm^-2，并且在1600 h的测试时间内展示出了优越的稳定性，是一类非常具有应该前景的高温聚合物电解质膜燃料电池关键材料。 

　　利用北京小角同步辐射装置1W2A-小角散射实验站开展的SAXS实验获得设计的微观相分离结构膜（TDAP-PSU-X、P-g-V-x和PPT）的离子簇尺寸，研究发现所设计的膜兼顾力学性能与质子传递性能，为新一代HT-PEM结构设计与性能调控提供理论指导。 

　　发表文章： 

　　1.Jujia Zhang, Jin Zhang, Huijuan Bai, Qinglong Tan, Haining Wang, Baoshan He, Yan Xiang, Shanfu Lu. A new high temperature polymer electrolyte membrane based on trifunctional group grafted polysulfone for fuel cell application. Journal of Membrane Science 572 (2019), 496–503.

　　2.Huijuan Bai, Haining Wang, Jin Zhang, Jujia Zhang, Shanfu Lu, Yan Xiang. High temperature polymer electrolyte membrane achieved by grafting poly (1-vinylimidazole) on polysulfone for fuel cells application. Journal of Membrane Science 592 (2019) 117395. 

　　3.Huijuan Bai,a Hanqing Peng,b Yan Xiang,a Jin Zhang,a Haining Wang,a Shanfu Lu,* Lin Zhuang.** Poly(arylene piperidine)s w.ith phosphoric acid doping as high temperature polymer electrolyte membrane for durable, high-performance fuel cells. Journal of Power Sources 443 (2019) 227219.