陰離子交換膜研究取得進展

與質子交換膜燃料電池相比，基於陰離子交換膜的鹼性燃料電池具有可使用非貴金屬催化劑、電極反應速率高等優點，受到廣泛關注。目前，尚未開發出一種與傳統質子交換膜（如Nafion）相媲美的陰離子交換膜，這是由於基於有機陽離子的陰離子交換膜的鹼性穩定性較差、陰離子傳導率較低。中國科學院山西煤炭化學研究所研究員李南文課題組採用高效的「點擊化學」合成方法，成功製備不同結構的季銨鹽型陰離子交換膜（包括側鏈型、梳型、側鏈/梳型等），並系統研究陰離子交換膜材料的化學結構、膜性能與燃料電池壽命之間的關係。研究表明，側鏈型陰離子交換膜具有較高的氫氧根離子電導率（38.7mS/cm，20 oC）和鹼性穩定性（10 M NaOH，80 oC，200小時），但其鹼性燃料電池的壽命較短，這是由於膜材料中的側鏈型季銨鹽發生降解反應；而鹼性穩定性差的苄基三甲胺季銨鹽陰離子交換膜的燃料電池壽命較長，並在電池壽命測試前後，其化學結構沒有發生明顯變化。該研究為未來陰離子交換膜材料的設計和製備提供了重要的科學參考。相關研究成果發表在Energy & Environmental Science上。

近年來，李南文帶領的研究團隊利用高效的「點擊化學」反應，在聚合物中定量的引入具有不同結構的有機陽離子基團和其他功能基團（如交聯基團、誘導相分離基團等），製備出性能優異的陰離子交換膜材料。通過「點擊化學」反應和烷基化反應，得到1,2,3-三氮唑鹽陰離子交換材料，並利用模型化合物，研究1,2,3-三氮唑鹽陰離子交換膜的降解機理。通過定量的引入可交聯的疊氮基團，採用熱交聯的方法，得到高電導率、低吸水率的交聯的陰離子交換膜材料，該方法有效抑制了膜在水中的溶脹。通過引入長的輸水鏈段，得到具有親水-疏水相分離結構的陰離子交換膜材料，有利於膜內陰離子的傳輸，其室溫下氫氧根離子電導率達到50.9 mS/cm。

研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院百人計劃、山西省百人計劃、山西省青年面上基金項目的支持。

來源：中國科學院山西煤炭化學研究所

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