碱性聚电解质主链稳定性的影响机制与化学调控研究

Alkaline polymer electrolytes (APEs) are an emerging material enabling the use of nonprecious metal catalysts in modern electrochemical devices. Recent investigations found that the grafting of cation functional groups could induce significant decline in the chemical stability of APE backbone, which poses a great challenge for APE research. In the present project, combined computational and experimental approaches will be employed to unravel the mechanism of the cation-induced backbone degradation, and to investigate the strategies for regulating the chemical property and improving the stability of APE. This research includes 4 parts: a) mechanistic study of cation-induced backbone degradation; b) computational study of the change in the electronic property; c) structural reforming of APE; d) stability test and application in electrochemical devices. Polysulfone will serve as a model system and be attached with three kinds of typical cations (trimethylammonium, methylimidazolium, and phosphonium). The chemical property of APE backbone will be regulated in 3 manners: a) backbone substitution; b) cation departure; c) additional protection group. The present study will provide insights into the mechanism of the APE backbone degradation, as well as effective solutions to this issue, so as to boost the R&D of APE and related electrochemical technology.

碱性聚电解质（APE）是一类新材料，有望使电化学能量转化器件从根本上摆脱对贵金属催化剂的依赖。2012年的最新研究发现，APE主链在接枝阳离子官能团之后，其化学稳定性显著下降，这是APE研发面临的新挑战。本项目拟结合实验和计算对阳离子诱导APE主链降解的机理进行系统的研究，进而找到有针对性的主链化学性质调控方法，解决APE主链稳定性问题。研究内容包括阳离子诱导APE主链降解的机制与规律、主链电子性质变化的DFT计算、主链结构改造以及APE稳定性与器件应用测试4个部分。将以聚砜类聚合物为模型体系，通过接枝三甲基季铵、甲基咪唑季铵或苯基季鏻3类典型阳离子基团研究对主链稳定性的影响规律；通过主链保护法、阳离子远离法和保护基引入法3种化学调控手段对APE主链进行结构改造。本项目的实施有望彻底查清APE主链稳定性问题的根源，找到实际解决方案，切实推动APE及相关电化学技术的发展。

碱性聚电解质（APE）是一类新材料，有望使电化学能量转化器件从根本上摆脱对贵金属催化剂的依赖。2012年的最新研究发现，APE主链在接枝阳离子官能团之后，其化学稳定性显著下降，这是APE研发面临的新挑战。本项目结合实验和计算对阳离子诱导APE主链降解的机理进行系统的研究，找到有针对性的主链化学性质调控方法，解决APE主链稳定性问题。研究内容包括阳离子诱导APE主链降解的机制与规律、主链电子性质变化的DFT计算、粗粒化计算模拟设计不同微观相形态的APE结构、主链结构的化学调控以及APE稳定性与器件应用测试4个部分。选取典型的芳香性聚合物：聚砜（PSF）、聚苯砜（PPSU）、聚苯醚（PPO）和聚醚醚酮（PEEK）为聚合物主链，通过接枝三甲基季铵、N-甲基咪唑季铵或三（2,4,6-三甲氧基苯基）季鏻3类典型阳离子基团，研究阳离子对主链稳定性的影响规律；通过主链保护法、阳离子远离法和保护基引入法3种化学调控手段对APE主链进行结构改造。通过本项目研究，查清了APE主链稳定性问题的根源，即近程接枝的阳离子改变了主链上与苯环相连的极性基团的性质，使其在碱性条件下稳定性降低。研究结果发现改变主链结构对其稳定性有一定影响。而通过阳离子远离及保护基引入的方法可大幅提高芳香性聚合物主链的稳定性。其中，通过阳离子远离发法和保护基引入法所制备的自聚集型和侧链型聚合物，在热碱液中进行长时间稳定性实验，其质量剩余率比近程接枝阳离子获得的APE高3-5倍。通过该项目研究成果对APE研发及相关电化学器件的发展均有切实的推动作用。