研發(fā)在無濕度環(huán)境寬溫域范圍內(nèi)均能高效運行的PEM成為現(xiàn)階段迫在眉睫的難題。迄今為止，很少有能在無濕度環(huán)境寬溫域范圍運行的聚酰亞胺質(zhì)子交換膜的研究報道。在這項工作中，研究團隊基于朝格爾堿基（Tro?ger’s base (TB)）合成了自具微孔結(jié)構(gòu)的共聚酰亞胺（co-PI），首次將聚酰亞胺用于寬溫域范圍運行的質(zhì)子交換膜（PEMs）。將冠醚單元引入含朝格爾堿基的自具微孔聚酰亞胺主鏈，由于微孔的強大虹吸作用，以及冠醚和TB單元與磷酸（PA）和/或H
2O的酸堿相互作用，即使沒有任何外部加濕器，磷酸摻雜的co-PI膜電極組件（MEA）可在無濕度的寬溫域或低濕度（低于60%RH）低溫（30−90°C）環(huán)境，氫氣/空氣條件下穩(wěn)定運行。單電池性能方面，PI-TB-N30C在無水條件下，在80°C和160°C下分別獲得了250和361 mW cm
−2的最大功率密度。此外，PA摻雜的co-PI-MEA可以在低溫或高溫下實現(xiàn)120小時的長期穩(wěn)定操作。此項研究為拓寬自具微孔聚酰亞胺材料的應(yīng)用及制備適于寬溫域范圍運行的燃料電池質(zhì)子交換膜提供了思路。
Fig 1. (a) PI 膜的 DMA 曲線，(b) PI 膜在氮氣氛下的 TGA 曲線，(c) PI 膜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，以及 (d) PA 摻雜的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線PI膜。
Fig 2. (a) co-PI 粉末在 77 K 時的N
2吸附（填充）和解吸（空）等溫線。(b) 微孔分布。(c) PA 摻雜 PI 膜的 XRD 曲線。(d) PA 摻雜前后膜內(nèi)鏈間堆積變化的示意圖。
Fig 3. (a–e) PA 摻雜 PI 膜的 P 2p 的 XPS 光譜。(f) PI 膜的 FT-IR 光譜。(g) PA 摻雜 PI 膜的 FT-IR 光譜。(h) PA 摻雜 PI 膜的
31P SSNMR 光譜。(i) 胺基和 TB 基團中的氮原子、胺基中的氧原子和冠醚基團的凈電荷。
Fig 4. (a) PA、H
2O 吸附容量和 ADL。(b) 尺寸穩(wěn)定性和氧化穩(wěn)定性。(c,d)在 PA 中浸泡 100 天前后的FT-IR 和 H
1-NMR 的差異。
Fig 5. 膜的質(zhì)子傳導(dǎo)率。(a) 寬溫 (30–160℃) 依賴的PA 摻雜PEM的質(zhì)子電導(dǎo)率，無需加濕。PI-TB-N40C 膜只能在高達 120℃ 的溫度下進行測試，因為它在 140℃ 以上會溶解。(b) 質(zhì)子電導(dǎo)率在 20% RH 下的 LT (30–90℃) 穩(wěn)定性。(c) 質(zhì)子電導(dǎo)率在60% RH 下的 LT (30–90℃) 穩(wěn)定性。(d) 質(zhì)子電導(dǎo)率在 100% RH 下的 LT (30–90℃) 穩(wěn)定性。(e) 質(zhì)子電導(dǎo)率在 20% RH 下的 LT (80℃) 穩(wěn)定性。(f) 質(zhì)子電導(dǎo)率在 60% RH 下的 LT (80℃) 穩(wěn)定性。
Fig 6. 在 30、80 和 160℃ 下，基于 65 wt % PA 摻雜使用 H
2 /空氣的燃料電池的極化和功率密度曲線，(a) PI-TB-N (110μm)，(b) PI -TB-N10C (105μm)、(c) PI-TB-N20C (103μm) 和 (d) PI-TB-N30C (109μm)。(e) HT (160℃) 在無水條件下的穩(wěn)定性。
相關(guān)研究工作由中國科學(xué)院過程工程研究所Yongbing Zhuang課題組于2023年在線發(fā)表在《Macromolecules》期刊上，原文：Finely Adjusted Intrinsically Microporous Copolyimide Electrolyte Membranes for Fuel Cells Operating in a Wide Temperature Range。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
