阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）能使用非贵金属（如镍和银）作为催化剂而大大降低燃料电池的成本，另外，还有能量转化率高和燃料多样等优点。这些优点使得AEMFC受到了广泛的关注，而作为AEMFC的关键组分，阴离子交换膜（AEM）的性能直接影响了电池的使用寿命和最终性能。开发具有优异碱稳定性和高氢氧化物电导率的聚合物膜是燃料电池面临的巨大挑战。

  AEMs的碱稳定性受膜的化学结构影响很大，包括导电阳离子基团、接枝侧链和聚合物骨架。在之前的工作中（Polym. Chem., 2020, 11, 6037–6046），他们提出了一种简单的方法，通过1,4-双（咪唑基）丁烷和1,4-二溴丁烷（或1,4-双（溴甲基）苯）之间的亲核聚合，合成在每个聚合物重复单元中含有两个双咪唑阳离子的低聚物（如图1）。然而，合成的这两种低聚物可溶于水，这可能导致低聚物从共混膜中流失从而影响性能。

图1.聚（双烷基咪唑）合成示意图。

  在本文中（Polymer 240 (2022) 124491），他们扩展了之前的工作，合成了在聚合物重复单元中具有双阳离子基团的水不溶性无醚聚合物，制备了两种基于聚（双-芳基咪唑鎓）（即 Ppbim 和 Ptpim）和聚苯并咪唑 (PBI) 的共混膜，并将其用作阴离子交换膜（如图2）。由于C2、C4和C5上苯基取代基的大空间位阻效应，合成的双咪唑聚合物有更好的碱性稳定性。据此，系统地研究了不同咪唑环的化学结构对AEMs性能的影响。

图2.Ppbim和Ptpim低聚物的合成路线图。

  通过改变混合膜中 pbim（或 tpim）与 PBI 的摩尔比，可以调节物理化学性质，例如吸水量、离子交换容量、溶胀、拉伸强度和电导率。测量在30-80℃下溴离子和氢氧根离子形式的 Ppbim-x%/PBI 和 Ptpimx%/PBI 膜的离子电导率，数据如图3。具有较高 IEC 的膜表现出较高的电导率，这与吸水率趋势一致。因此，对于具有较高聚(双-芳基咪唑)摩尔比的共混膜有更高的电导率。例如，Ppbim-43%/PBI和Ppbim-65%/PBI 在80℃时的电导率分别为25.6和30.9 mS cm^-1。同时，电导率随着温度的升高而增加。

图3. Br-(a)和OH-(b)形式的Ppbim-x%/PBI和Ptpim-x%/PBI膜随温度的变化的电导率。

  为了研究 Ppbim-x%/PBI和Ptpim-x%/PBI膜的碱稳定性，将它们浸入80℃的1 M KOH溶液中，并监测膜的电导率、IEC、FT-IR和¹H NMR的变化。浸入80℃的1 M KOH溶液前后，Ppbim (a)和 Ptpim (b)聚合物的¹H NMR显示结构变化不明显（图4），说明AEMs具有良好的碱稳定性。

图4. Ppbim (a)和Ptpim (b)聚合物在80℃下浸入1 M KOH 溶液后的 ¹H NMR。

  进一步探索该膜的实用性，他们选择了具有良好电导率的Ptpim-51%PBI膜进行电池测试。开路电压为0.93V，表明该膜能很好地分离反应气体。在30℃ 时，电池的功率密度为51 mW cm ^-2。当温度升至80℃时，电池的最大功率密度达到86 mW cm ^-2。为了获得更好的燃料电池性能，将进一步努力优化电极组成、MEA 制造和测试条件。

  综上所述：本文描述了一种简单的方法来合成聚合物重复单元中具有双阳离子基团的水不溶性无醚聚合物，选择PBI作为增强材料，通过共铸法制备出尺寸稳定性优异的共混膜，随着共混膜中聚（双芳基咪唑）摩尔比的增加，每个系列膜的IEC和吸水率增加。同时，所有膜在室温下均表现出良好的拉伸强度。由于大体积三苯基的空间位阻效应，Ptpim表现出比Ppbim更好的碱性稳定性。Ptpim-34%/PBI膜在80℃下浸入1M KOH溶液600小时后仍保持其69.2%的电导率。电池的极化曲线表明了用于 AEMFC的Ptpim-51%PBI 膜的技术可行性。这项工作为设计和制备高性能的AEM提供了有价值的参考。

  东北大学理学院为论文第一完成单位，论文通讯作者为东北大学理学院杨景帅副教授，论文第一作者为东北大学理学院硕士生于娜、董建豪和王婷婷。

  相关链接：

  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032386121011149

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/PY/D0PY00932F