以聚合物电解质膜为核心部件的质子交换膜燃料电池（PEMFC），因其高效率、启动快、低排放和环境友好等优点被认为是新一代清洁高效的动力能源之一。目前，聚苯并咪唑（PBI）因其优异的机械性能和热、化学稳定性，而成为研究较为广泛的高温质子交换膜材料。Wainright等人早在1995年就将磷酸（PA）掺杂的PBI首次作为电解质材料来使用，该材料不仅具有较高的质子传导能力，而且其热稳定性非常优异。PA/PBI的质子传导率主要取决于其磷酸掺杂含量，然而磷酸掺杂含量和膜材料的机械强度是一对矛盾的参数，因此，在保证高温质子交换膜材料优异机械性能的前提下，如何提高质子传导率成为研究者致力于攻克的难点。通过交联改性的方法可以有效的提高PBI磷酸掺杂含量，并在一定程度上同时提高了PBI膜材料的高温质子传导率和机械性能。作为高温质子交换膜燃料电池的质子传输介质，除了磷酸以外，离子液体（IL），因其导电能力强、良好的热稳定性、宽泛的电化学窗口、不可燃，以及不挥发（蒸汽压接近于零）等优点而被广泛研究。PBI-IL复合膜在高温下具有较高的质子传导率，PA作为质子溶剂，IL作为质子转移介质和PBI增塑剂，膜内部形成的氢键三维网络作为质子传输通道。但是，这种共混掺杂方式引入IL降低了复合膜材料的机械性能，而且IL在长期使用过程中易出现渗漏问题。为了解决离子液体可能存在的渗漏问题，将聚离子液体（Polymeric Ionic Liquid, PIL）引入体系，不仅可以发挥IL的优势，又可以避免其渗漏。另外，其阴离子可作为质子载体构建无水质子传输通道，从而满足燃料电池在高温下的使用要求。可见，在PBI体系中引入PIL，一方面可以增加体系内质子载体含量，另一方面可以有效提升高温无水条件下的质子传导率
基于上述问题，王双团队将共价交联和聚离子液体在同一体系中有机地结合起来并发挥协同作用，构建双重无水质子传输通道，同时降低体系内质子传输活化能，提高聚合物膜材料的机械性能和高温无水条件下质子传导率。从分子设计角度出发，以联苯四胺和5-羟基间苯二甲酸为单体合成了PBIOH，然后合成了带有烷氧基端基的离子液体，再将其与PBIOH有序掺杂，利用原位溶胶凝胶法制备一系列PBIOH-ILS复合膜。在酸性水解条件下，得到SiO2功能化的PIL。因其与聚合物主链间以共价键结合，使其在体系中的稳定性更高，结构也更加规整，SEM结果显示该复合膜中粒子的尺寸较为统一，分散也非常均匀。另外，咪唑阳离子的引入增强了体系的碱性，使其吸酸能力得到大幅度提升，且酸吸附时间也大幅度缩短。PBIOH-ILS 5-d72 在170 oC时，其质子传导率高达0.106 S•cm-1，有望应用于高温燃料电池中。该结果发表于Journal of Membrane Science, 541 (2017) 492-499。该论文第一作者为2015级硕士研究生刘凤祥同学。
简介
王双副教授，吉林大学博士，美国加州大学伯克利分校联合培养博士。主要研究领域是基于聚合物电解质的高温质子交换膜材料的分子设计与质子传输研究和全固态超级电容器的电解质材料研究。近年来，在Journal of Materials Chemistry A, Journal of Membrane Science, Journal of Power Sources，International Journal of Hydrogen Energy等国际学术期刊发表了一系列学术论文。
