中國科大等在多孔有機聚合物離子膜材料研究中取得進展

　　近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授徐銅文課題組與國際同行合作，在多孔有機聚合物離子膜材料研究中取得新進展，首次制備了系列自具微孔結(jié)構(gòu)的陰離子交換膜材料。該研究成果發(fā)表在8月9日的《德國應(yīng)用化學(xué)》上(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605916)。論文第一作者為課題組的博士后楊正金。

　　堿性陰離子交換膜的核心部件——陰離子交換膜的研究已成為國內(nèi)外的熱點問題，其關(guān)鍵的科學(xué)問題包括如何提高陰離子交換膜的離子傳導(dǎo)性能；如何增強其機械性能，尤其在含有高密度離子交換基團時膜材料的機械性能問題；如何獲得強堿性條件下的高穩(wěn)定性。

　　針對這些挑戰(zhàn)，中國科大徐銅文課題組與國際同行Neil. B. McKeown和Michael D. Guiver等合作，利用Troger’s Base結(jié)構(gòu)中V型的剛性結(jié)構(gòu)，阻止聚合物鏈段的有效堆積，首次制備了系列自具微孔結(jié)構(gòu)的陰離子交換膜材料，實驗中所涉及的單體來源于商業(yè)化的小分子，合成過程簡單，不需高溫高壓，在室溫下使用常用試劑即可完成。膜內(nèi)微孔尺寸大小在0.8 nm左右，其BET表面積在38-899 m2/g，對所獲得的陰離子交換膜離子傳導(dǎo)特性研究發(fā)現(xiàn)，該類膜材料可以在非常低的離子交換容量下，實現(xiàn)超高的離子傳導(dǎo)特性，比如在離子交換容量僅為 0.82 mmol/g時，DMBP-QTB膜的OH-電導(dǎo)率可高達(dá)164.4 mS/cm，遠(yuǎn)高于其他已報道的陰離子交換膜。

　　這一研究結(jié)果表明，多孔有機聚合物中貫通的孔道結(jié)構(gòu)對實現(xiàn)陰離子的快速傳遞具有重要意義；陰離子在受限空間中具有不同于致密膜結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)特性。審稿人評價認(rèn)為：“這是一個非常有趣的工作，他們利用了商業(yè)化的試劑，制備了高性能的陰離子交換膜。所得材料各個方面的表征很完整，性能令人驚嘆。這一類聚合物基的陰離子膜將在整個燃料電池的研究群體中引起非常廣泛的研究興趣。”

    上述研究得到了科技部“973”項目、國家自然科學(xué)基金和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心、中國博士后基金項目和青年創(chuàng)新基金項目等經(jīng)費的支持。

圖1. Troger’s Base基高電導(dǎo)性能陰離子交換膜及潛在燃料電池應(yīng)用

圖2. Troger’s Base陰離子交換膜離子傳導(dǎo)性能