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科研进展
  

天津市水环境与水资源重点实验室汤红英在Journal of Power Sources 发文揭示聚砜类季铵盐聚合物在高温燃料电池中的性能、应用及稳定性


发布时间:2020-09-23

质子交换膜燃料电池是一种高效、能量密度高的新型燃料电池,被认为是最有前途的清洁能源转换系统之一。高温燃料电池(HT-PEMFC)操作温度高(>100oC),无需额外加湿,简化了水和热管理,具有功率密度高,启动快,能量转化率高等优点,因此备受关注。磷酸掺杂的聚苯并咪唑高温燃料电池由于其优异的性能,得到了广泛的研究,但是该类质子交换膜在低于140 oC下,磷酸容易流失。Kim等人根据密度泛函理论通过计算,通过共价键在聚合物膜中引入季铵盐基团,与磷酸形成强作用力的离子对,从而提高了磷酸的保留率和高温燃料电池的耐久性。虽然至今为止对高温质子交换膜进行了大量的研究,但是膜的热/化学稳定性研究、及膜材料的主链和官能团的降解机理尚不清楚。

水环境与水资源重点实验室汤红英老师设计并合成了聚砜类季铵盐质子膜材料。与间位聚苯咪唑高温质子膜(m-PBI)相比,尽管其官能团含量较低,但季铵化的聚砜类质子膜具有较高的吸酸率 (PA per repeat unit ADL = 13.1)和优异的质子传导率(78.1 mS/cm1),在高温160 oC、无加湿、背压的条件下,H2 / O2单电池的功率密度超过400 mW/cm2,高于m-PBI。然而,热重分析发现,这些季铵盐类聚砜膜材料的热稳定性较差。因此,汤红英老师利用核磁共振技术对降解机理进行了深入研究。核磁共振结果表明,在160℃,磷酸的存在促进了季铵盐聚合物中苯基碳和醚键的断裂、季铵盐基团的降解。此外,通过对模型化合物的降解机理研究,进一步证实了季铵盐类聚合物的降解机理。

这些结果表明,季铵盐类聚合物将是一类很有前途的HT-PEM膜材料,但其结构仍需进一步设计和合成。该研究工作近期已被接收发表在Journal of Power Sources。必威官网天津市水环境与水资源重点实验室为第一完成单位。该研究得到国家自然科学青年基金的资助。https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320308259)。


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