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中科院過程工程所Yongbing Zhuang課題組--結合Tro?ger 堿的可溶性聚苯并咪唑用于高溫質子交換膜燃料電池
      在這項工作中,合成了一種含有 Tröger 堿 (TB) 的新型二羧酸 (TB-COOH),并制備了新的基于 TB 的聚苯并咪唑 (PBI) 膜作為高溫質子交換膜 (HT-PEM) 燃料電池的電解質. 基于 TB 的 PBIs 在用三乙基銨鹽處理后顯示出良好的可加工性。所制備的基于 TB 的 PBI 膜表現出超過 126.6 MPa 的優異拉伸強度和在 374℃ 至 411℃的 5% 重量損失下的高分解溫度。基于 TB 的 PBI 膜的殘余重量在芬頓試劑中在 80℃下保持 80% 以上 48 小時。值得注意的是,基于 TB 的 PBI 中有額外的氮原子,它們的磷酸吸收能力比沒有 TB 單元的相應磺化聚苯并咪唑 (sPBI) 有明顯改善,在160°C下最高的質子電導率可達93.2 mS cm– 1,遠高于未引入TB結構的PBI膜,是磺化 PBI (sPBI) 膜的41.2 mS cm-1的 2.3 倍。H2 /空氣燃料電池的最高峰值功率密度在160℃非濕度條件下達到225.5 mW cm-2 ,遠高于sPBI膜的值。基于其出色的綜合性能,將 TB 納入鏈主鏈優化了用于 HT-PEM 應用的 PBI 電解質。
 
Fig 1. (a)二羧酸單體(TB-COOH) 和 (b) 基于 TB 的 PBI(TB–PBI-100、TB–PBI-75、TB–PBI-50、TB–PBI-25)和 sPBI 的合成;(c) 基于 TB 的 PBI 的質子轉移機制。

 
Fig 2. (a) TB–COOH、(b) TB–PBI-100 和 (c) TB–PBI-50 在 DMSO- d6中的1H NMR 譜圖。

 
Fig 3. (a) TB-COOH 和 (b) 基于 TB 的 PBI 和 sPBI 膜的 FT-IR 光譜。

 
Fig 4. (a)基于 TB 的 PBI 和 sPBI 膜的TGA熱分析圖;(b) 膜在 Fenton 試劑中浸泡 24 和 48 小時后的殘余重量。

   
Fig 5. TB基PBI膜的拉伸應力和膜斷裂伸長率:(a)未摻雜PA;(b) 65wt%的PA溶液摻雜;(c) 75wt%的PA溶液中摻雜。

 
Fig 6. (a) TB–PBI-100、TB–PBI-75、TB–PBI-50、TB–PBI-25 和 sPBI 膜摻雜 65 wt% 后,PA 摻雜膜的質子電導率隨溫度的變化PA溶液以及 (b) TB–PBI-50、TB–PBI-25 和 sPBI 膜在摻雜 75 wt% PA 溶液后。

 
Fig 7. TB基PBI膜燃料電池的極化和功率密度曲線 (H2/Air):(a) 65wt%的PA溶液摻雜;(b) 75wt%的PA溶液中摻雜; (c) TB-PBI-50和sPBI膜的單電池長期穩定性。
 
      相關研究工作由中科院過程工程所Yongbing Zhuang課題組于2023年在線發表在《Chemical Engineering Journal》期刊上,原文:Soluble polybenzimidazoles incorporating Tröger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells。

轉自《石墨烯研究》公眾號
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