燃料电池（Fuel Cells, FC）是一种通过氧化还原反应直接将燃料和氧化剂的化学能转换为电能的发电装置，不受卡诺循环的限制，效率高，污染和噪音较小，且能量密度和功率密度高，成为新能源领域研究的热点。聚苯并咪唑（PBI）的各种衍生物已被探索并被广泛应用于制备高温质子交换膜，将为FC带来高的CO耐受性、简化的水热管理体系和更快的电极动力学等优点。但是，PBI在普通有机溶剂中溶解性差并且合成 PBI 的单体联苯四胺有致癌性等问题，影响了PBI的广泛应用。因此，开发低成本、高性能的高温质子交换膜（HT-PEM），将极大地促进HT-PEMFC实现商业化。

  杨景帅副教授课题组利用超强酸催化反应，以富电子芳烃和乙酰基吡啶为原料合成了高性能聚合物。引入的垂坠吡啶单元为吸附磷酸提供碱性位点，无醚键的刚性苯环结构保证聚合物的抗氧化性。基于磷酸掺杂PTAP膜组装的燃料电池，在无背压条件下的氢氧电池峰值能量密度为743 mW cm^-2。同时以Sigma公司的药品估算聚合物成本，PTAP的成本仅为PBI的一半。

图1.聚合物PBAP和PTAP的合成过程

  该团队通过对聚合物理化性质的研究，发现PTAP 膜在 100 ℃浸入 85 wt% 磷酸溶液后具有 220% 的磷酸掺杂含量，在 180 ℃下的电导率高达 0.102 S cm^-1。经过 450 h 的抗氧化性测试，PTAP 膜仍表现出 200% 的高磷酸掺杂含量和 0.086 S cm^-1 的高电导率。TGA 结果表明，PTAP 和 PBAP 膜在480 ℃以下均表现出显着的热稳定性，适用于 HT-PEMFC。

  在前期工作基础上（Journal of Membrane Science 641 (2022) 119884），将上述得到的聚合物PTAP组装燃料电池，测试了电池性能和稳定性，探讨了不同厚度的PTAP膜对电池性能的影响。结果显示厚度为 88 μm的PTAP/220%PA 的电池在 120 ℃ 时的峰值功率密度为 350 mW cm^-2，在 180 ℃ 时提升至 592 mW cm^-2；厚度为 63 μm 的 PTAP/205%PA 膜在 180 ℃ 时的峰值功率密度为 743 mW cm^-2。同时， PTAP/PA 膜具有高于 1.0 V 的高开路电压 (OCV)，表明其透气性较低。在160 ℃，电流密度为 200 mA cm^-2 和 400 mA cm^-2下的电池稳定性，结果表明基于 PTAP/205%PA 的电池在200 mA cm^-2 下 100 h内和400 mA cm^-2下60 h内均表现出良好的稳定性。同时，电池的OCV在所有关停-启动循环测量期间保持在1.0 V左右，进一步证实了PTAP/205%PA膜的电池稳定性和优异的气密性。因此，PTAP聚合物具有较好的电池性能，并且合成过程简单，成本低，它不仅可以扩展HT-PEMFC的膜材料，还可以为其他能量转换和存储设备提供材料。

图3. 厚度为 88 μm (A) 和 63 μm (B) 的 PA 掺杂 PTAP 膜的单电池性能；(C) 不同类型HT-PEM组装的H₂ -O₂电池峰值功率密度比较

图4. 160 °C时200 mA cm^-2 和400 mA cm^-2条件下的单电池性能启停-寿命实验：厚度为 63 μm 的 PTAP/205%PA膜

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231131