研發在無濕度環境寬溫域范圍內均能高效運行的PEM成為現階段迫在眉睫的難題。迄今為止，很少有能在無濕度環境寬溫域范圍運行的聚酰亞胺質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)）合成了自具微孔結構的共聚酰亞胺（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）環境，氫氣/空氣條件下穩定運行。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120小時的長期穩定操作。此項研究為拓寬自具微孔聚酰亞胺材料的應用及制備適于寬溫域范圍運行的燃料電池質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 膜的拉伸應力-應變曲線，以及 (d) PA 摻雜的拉伸應力-應變曲線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) 尺寸穩定性和氧化穩定性。(c,d)在 PA 中浸泡 100 天前后的FT-IR 和 H
1-NMR 的差異。
Fig 5. 膜的質子傳導率。(a) 寬溫 (30–160℃) 依賴的PA 摻雜PEM的質子電導率，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) 質子電導率在 20% RH 下的 LT (30–90℃) 穩定性。(c) 質子電導率在60% RH 下的 LT (30–90℃) 穩定性。(d) 質子電導率在 100% RH 下的 LT (30–90℃) 穩定性。(e) 質子電導率在 20% RH 下的 LT (80℃) 穩定性。(f) 質子電導率在 60% RH 下的 LT (80℃) 穩定性。
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℃) 在無水條件下的穩定性。
相關研究工作由中國科學院過程工程研究所Yongbing Zhuang課題組于2023年在線發表在《Macromolecules》期刊上，原文：Finely Adjusted Intrinsically Microporous Copolyimide Electrolyte Membranes for Fuel Cells Operating in a Wide Temperature Range。
轉自《石墨烯研究》公眾號
