单支链三功能化增强碱性阴离子交换膜的耐溶胀性

How to enhance the swelling resistance of akaline anion exchange membranes (AAEMs) with high hydroxide conductivity is one of the most urgent challanges in the AAEM fuel cell field. In this proposal, we design a poly(ether ether ketone) with tri-functionalized side chains, which will be synthesized by bromation and functionalization of a poly(ether ether ketone) with side chains of tert-Butyl groups. There are three functional groups in each poly(ether ether ketone) repeat unit, which increases the gathering degree of functional groups in polymer main chains. With the same functionalization degree, the tri-functionalized polymer has more hydrophobic polymer repeat units than the mono-functionalized polymer does. On the other hand, the effect of the interaction between anion and cation of functional group on the micro-phase-structure will be inverstigated, and the corresponding rule could be illustrated. Tri-functionalization and optimal interaction between ions could synergistically increase the driving of micro-phase-separation during membrane formation, improving the bicontinuous structure of hydrophobic and hydrophilic phases in the final membrane. As a result, the swelling resistance could be enhanced. The correlationship between the chemical structure, micro-phase-structure and properties (hydroxide conductivity and swelling resistance) of the membrane will be established. This study will provide a simple and efficient appoach to prepare highly conductive and strongely swelling-resistant anion exchange membrane.

如何通过膜材料的分子结构设计在保证高氢氧根传导性的前提下增强高功能化度膜的耐溶胀性，已成为碱性阴离子交换膜领域迫切需要解决的关键科学问题。本项目提出设计合成单支链上具有三个氢氧根传导功能基团的聚醚醚酮膜材料，利用单支链三功能化，提高功能基团在聚合物链段上的聚集度，降低亲水功能基团引入对憎水性聚合物主链的破坏程度，使聚合物膜材料既拥有高的功能化度，又有高的憎/亲水重复单元比值，这将增强成膜过程中的憎/亲水微观相分离推动力，形成较好的憎/亲水相双连续结构，得到同时具有高氢氧根传导性和强耐溶胀性的碱性阴离子交换膜。本项目将建立膜材料化学结构（功能基团的聚集度以及阴、阳离子结构）、微观结构（憎/亲水微相分离）与膜性能（氢氧根传导性和耐溶胀性）三者之间的相互关系，并阐明膜材料功能基团阴、阳离子间的相互作用对膜内微观相分离结构的影响规律。以上研究将为高性能碱性阴离子交换膜的制备提供新的思路。

本项目针对离子交换膜的高离子传导率和耐溶胀性不可兼得的问题，围绕离子交换膜的构效关系，通过膜材料的结构设计，以及膜材料链段间的作用力调控，优化微观结构，同时提升膜的离子传导性和耐溶胀性。主要取得了如下研究成果：提出长支链化和单支链多功能化的协同作用，构建亲/憎水双连续的微观相分离结构，制备了高性能离子交换膜；采用亲水侧链诱导、小分子自组装、静电纺丝等方法，调控聚合物分子链取向和堆积方式，构建宽而连通的离子通道，提高膜离子传导性；设计具有致密皮层的非对称膜，优化膜介尺度通道结构，进一步减小跨膜离子传递阻力；引入极性基团以及两性离子结构，增加分子间作用力，提高膜的耐溶胀性。在以上项目成果的指导下，建成日产300m2宽幅为1米的连续制膜设备，所制备的膜用于2kw液流电池中试装置，能量效率超过商业化Nafion膜，累计运行超过4000小时。.项目研究相关成果在Journal of Membrane Science、Journal of Materials Chemistry A等本领域高水平国际期刊上发表已标注本项目资助的SCI论文22篇，其中JCR一区15篇, IF＞6论文9篇，参与撰写专著1部。以项目负责人为第一发明人申请/授权中国发明专利11/3项。参加国内外学术会议15人次，特邀报告1人次，口头报告8人次，担任分会主席4人次。以项目成果为基础，项目负责人主持并完成2项企业委托项目。项目负责人获辽宁青年科技奖（2017）、首届大连市青年科技之星（2014）等荣誉称号，获大连市高层次人才支持计划（2015）资助，作为主要参与人获得中国石油与化工联合会科技进步一等奖（2017）。.本项目成果得到了国内外学者的广泛认可，我们提出自组装诱导相分离方法和多孔膜制备方法被认为是离子交换膜领域的重要研究进展。.以本项目膜研究成果作为重要支撑之一，项目负责人所在团队于2017年获批科技部重点领域创新团队“新型高效过程耦合强化创新团队”，项目负责人是团队的骨干，负责高性能分离膜制备研究；获批建设辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室，项目负责人担任副主任，负责高性能膜制备研究。.