非季铵化阴离子交换复合膜的制备与性能研究

由于季铵盐对氢氧根离子的较强传输功能，在阴离子交换膜电解质领域对季铵化阴离子交换膜的研究迄今为止占据了主导地位。然而季铵盐在化学和热稳定性方面的不足，已成为限制阴离子膜发展和应用的关键科学难题。为此，本项目提出开展结构可调控的非季铵化阴离子交换膜的研究。本项目拟以热稳定性较高、碱性较强的季磷盐取代季铵盐作为阴离子交换的功能化基团，通过膜材料结构与性能关联机制的研究，设计膜材料的分子结构，研究聚合物季磷化的原理和方法以及季磷化复合膜的制备；研究探索膜材料的组成、微-介观结构对其性能和阴离子传导功能的影响规律，通过阴离子膜材料的组分优化和阴离子膜微-介观构型的设计组装，调控膜结构，探讨功能阴离子的传输机理，制备性能优良的新型阴离子膜电解质材料。本研究对不以贵金属为催化剂、在价格和燃料等方面均具有优势的碱性燃料电池的发展具有重要意义。

燃料电池领域关于膜电解质和催化剂的基础性研究成果，对推动燃料电池商业化发展至关重要。其中膜电解质，一直是中低温燃料电池乃至相关电化学领域的关键而不可或缺的核心材料，其可靠性和使用寿命直接关系到相关电池的性能和实际应用价值。由于季铵盐对氢氧根离子的较强传输功能，在阴离子交换膜电解质领域迄今仍居主导地位。然而季铵盐在化学、热稳定性以及由水溶胀导致的机械强度方面的不足，限制了阴离子膜的发展和应用。为此，本项目提出开展结构可调控的非季铵化阴离子交换膜的研究。主要研究包括：以热稳定性较高、碱性较强的季磷盐代替季铵盐作为阴离子交换膜的功能化基团，在膜材料的合成、膜浇铸、膜电导率及机械性能的改善、以及膜结构与性能关联机制等方面进行了探索研究，制备了系列季磷化膜材料，并对其相关物理化学性能进行了分析测试。以离子电导率较高的咪唑阳离子为功能化基团，利用咪唑基团在结构可调控方面的优势，合成制备了系列咪唑功能化阴离子膜材料，通过膜结构的设计修饰和对其离子电导率，化学和机械稳定性以及膜电解质的稳定可靠性等较系统的研究，揭示了膜材料结构与性能的关系机制，为膜电解质性能的提高提供了参考。通过制备有机共聚膜、有机无机复合膜以及具有交联半互穿、全互穿等网状结构的膜材料，研究了复合膜组成和结构对其性能的影响，对提高膜电解质材料的性能提供了实验依据和参考。