烷醚类阴离子交换聚合物膜的可控合成及其微相结构的调控

Anion exchange polymeric membrane(AEM), the core component of alkaline fuel cells, should exhibit excellent chemical stability, good dimensional stability and high ionic conductivity. The objectives of this project are: 1) to construct polymeric backbone system with excellent chemical stability and good dimensional stability through epoxy ring-opening polymerization, and develop a method for preparing alkyl ether based AEMs to overcome the disadvantage induced by the existance of aryl ether; 2) to study the structure-function relationships between the molecular structure and alkaline stability of alkyl ether cationic groups; 3) to establish a molecular programming for controlling the molecular weight, active sites and block sequences of AEMs through living polymerization and construct microphase regulation mechanisms on macroscale level, understanding the complex self-assembly behavior and ion channel formation mechanisms in electrolyte membranes. Through the implementation of this project, it will provide a theoretical foundation for the design and regulation of high-efficiency ion transport channels in AEMs and promote the practical applications of AEMs in alkaline fuel cells.

作为碱性燃料电池的核心部件，阴离子交换聚合物膜需要兼具优异的化学稳定性、良好的尺寸稳定性以及高的离子传导率。本项目的研究旨在：1）利用环氧开环聚合，构建具有优异化学稳定性和良好尺寸稳定性的聚合物主链体系，建立烷醚类(非芳醚)阴离子交换聚合物膜的制备方法；2）阐明烷醚类阳离子功能基团的分子结构与耐碱稳定性之间的构效关系；3）利用活性聚合，实现对聚合物分子量、活性位点及嵌段序列的可控合成，优化阴离子交换聚合物膜宏观尺度的微相调控方法，理解膜内复杂的自组装行为以及离子通道形成的分子机制。通过本项目的实施，为主动设计及调控高效离子传输通道提供理论基础，促进碱性阴离子交换聚合物膜燃料电池的发展。

近年来，传统能源燃料的过度使用导致了日益加剧的能源和环境危机。燃料电池，作为一种新型清洁能源技术，已经在新能源汽车、AIP潜艇、无人机、便携式电源等领域得到初步应用。碱性膜燃料电池由于其核心材料阴离子交换膜的性能不达标，膜的机械性能、化学稳定性、离子电导率尚不能实现有机共存，严重阻碍了低成本碱性燃料电池的发展。本项目围绕碱性燃料电池阴离子交换聚合物膜的设计与性能调控展开，主要研究任务包括：1) 阳离子官能团及离子聚合物耐碱稳定性差的关键科学问题；2) 超高分子量、高稳定性离子聚合物膜的合成及电导率的提升策略；3) 燃料电池工况下阴离子交换膜失效机制及三相界面传质的研究。通过项目的开展详细研究了膜的化学结构和微观结构对膜性能及器件性能与寿命的影响，并明晰了膜及膜材料在工况条件下的失效机制。相关研究成果在Energy Environ. Sci., Adv. Sci., J. Membr. Sci.等国际期刊发表论文8篇，授权中国发明专利1项。获得一批具有综合性能优异、并具备实用潜力的新型阴离子交换聚合物膜。.