高稳定性碱性聚合物电解质的分子构筑及其化学环境影响机制研究

Alkaline polymer electrolyte（APE），enabling the use of non-precious metal catalysts, shows the potential application in electrochemical devices. However, designing a greatly stable APE molecular structure is still a challenge for the research and the extensive application of APE. In this project, substituent effects, such as inductive effect, conjugation effect and steric effect, will be employed to prepare the chemically stable APE， using SEBS as the main chain. Moreover, combined electrochemical methods, spectroscopy, microscopy techniques and DFT theoretical calculations will be applied to investigate the influences of different chemical factors (such as substituent effects, the functional group structure) on the stability of APE and the degradation mechanism of APE in detail, to put forward the strategies for improving the chemical stability of APE, and to boost the development of APE and the application of APE in the electrochemical technology.

碱性聚合物电解质(APE)有望解决电化学器件对贵金属催化剂的依赖，具有广阔应用前景。然而，构筑具有高稳定性的APE分子结构仍是APE研究与广泛应用所面临的重大挑战。本项目将以具有良好化学稳定性的聚(苯乙烯-乙烯-丁烯)(SEBS)为主链，拟将诱导、共轭、位阻等取代基效应引入APE分子结构，制备具有高化学稳定性的APE材料。进一步地，采用电化学方法、现代谱学显微技术，结合DFT理论计算取代基效应、官能团结构等化学环境因素对APE稳定性的影响机制及其降解机理进行系统和深入地研究，提出改善APE化学稳定性的结构设计思路，推动APE及其在电化学器件中的发展。

近年来，能源短缺与环境恶化等问题日益凸显开发可再生、清洁能源成为全球关注的焦点之一。基于聚合物电解质膜燃料电池具有能量转化效率高、能量密度高、工作温度低、安静及环境友好等优点，在武器装备、电动车辆、移通信等军事国防建设和民经济 领域具有 广阔的应用前景。经过二十多年研究，质子交换膜燃料电池 (PEMFCs）取得了长足发展。然而，该电池必须采用Pt-基稀贵金属作为电催化剂，同时全氟磺酸膜 （如 Nafion®膜）的使用造成该燃料电池高昂的成本，大大限制了其产业化和商业化进程。采用碱性聚合物电解质膜（APEM ）作为固体电解质是有望摆脱对贵金属催化剂依赖的有效途径之一。而作为其中的关键材料， APEM 构效关系的研究、高性能 APEM 的设计开发成为碱性聚合物电解质膜燃料池（ APEMFCs）的核心方向之一。本项目以构筑具有高稳定性的APE分子结构为目标，采用电化学方法结合现代谱学显微技术阐释了官能团结构、取代基效应等化学环境因素对APE稳定性的影响机制及其降解机理，提出改善APE化学稳定性，尤其是阳离子官能团化学稳定性的结构设计思路，在一定程度上推动了APE及其在电化学器件中的发展。在项目的研究过程中，通过取代基效应的引入，突破了小分子阳离子官能团稳定性不足的问题，实现了丁基取代哌啶阳离子在100 oC，7 M KOH水溶液（小分子盐与KOH的物质的量比为0.0283:1）恶劣环境中处理近1000 h未发生明显的结构变化，处于国际领先水平。进一步，依据F-C反应原理，通过反应条件优化，目前已经制备出高分子量哌啶主链聚合物，将季铵盐阳离子通过丁基烷基链接枝于哌啶主链上，有望大幅提高碱性聚合物电解质膜的化学稳定性。