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  不可持續(xù)性化石能源不斷消耗使當(dāng)今世界面臨嚴(yán)重污染和氣候變化問題，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，急需找一種可持續(xù)的、清潔的、高效的化石能源替代品。目前，燃料電池作為一種新型清潔能源裝置在國內(nèi)外受到廣泛關(guān)注和研究。燃料電池汽車已廣泛應(yīng)用于汽車、便攜式裝置和固定式電站等領(lǐng)域。目前主要商業(yè)化的質(zhì)子交換膜為美國杜邦公司的Nafion系列膜，其操作溫度一般為80 °C以下, 性能突出穩(wěn)定。然而，Nafion膜的應(yīng)用也存在燃料透過率高及成本昂貴等問題，極大程度限制了Nafion 膜大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。

  為解決低溫質(zhì)子交換膜如Nafion膜面臨的局限性問題，高溫質(zhì)子交換膜燃料電池（100~200 ℃）的發(fā)展得到了廣泛關(guān)注。其應(yīng)用具有很多優(yōu)勢：如提高的電極的催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程；防止催化劑中毒；簡化燃料電池水、熱管理系統(tǒng)等。目前研究較多的高溫質(zhì)子交換膜材料為聚苯并咪唑（PBI）聚合物，其摻雜磷酸后在高溫?zé)o濕度條件下具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性能。然而，傳統(tǒng)的PBI由于分子鏈本身的剛性導(dǎo)致其溶解性差，且聚合物鏈段內(nèi)磷酸的吸附位點(diǎn)有限，導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)能力不足。因此，制備良好溶解性及高質(zhì)子傳導(dǎo)能力的PBI膜是迫切需要的。

圖1 (a)二羧酸單體TB-COOH的合成路線; (b) TB基的PBI (TB-PBI-100、TB-PBI-75、TB-PBI-50、TB-PBI-25)和sPBI的合成路線; (c) TB基的PBI的質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)理。

  為了解決這一問題，中國科學(xué)院過程工程所莊永兵研究員等在Chemical engineering journal發(fā)表了名為“Soluble polybenzimidazoles incorporating Tro?ger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells”的文章，第一作者為中國科學(xué)院過程工程所博士生代俊明。研究人員首先制備了含有TB結(jié)構(gòu)的新型羧酸單體，后以此為聚合物單體，制備了一系列含有TB結(jié)構(gòu)的聚苯并咪唑（TB-PBI），并將其用于高溫質(zhì)子交換膜材料。對TB-PBI膜的基本性能（熱穩(wěn)定性、抗氧化穩(wěn)定性、磷酸吸附能力、機(jī)械性能、電導(dǎo)率及燃料電池性能等）進(jìn)行了詳細(xì)的探究。由于TB結(jié)構(gòu)引入，TB-PBI 顯示出提高的溶解性。同時(shí)，TB-PBI中額外的氮原子為膜提供了更多的磷酸載體，形成更多的質(zhì)子傳輸通道，質(zhì)子傳導(dǎo)能力改善明顯，在160 °C下最高的質(zhì)子電導(dǎo)率可達(dá)93.2 mS cm^{– 1}，遠(yuǎn)高于未引入TB結(jié)構(gòu)的PBI膜。同時(shí)，組裝的單電池性能（H₂/air）也表明引入TB結(jié)構(gòu)可獲得更高的功率密度。 

圖2 TB基PBI的熱穩(wěn)定性及抗氧化穩(wěn)定性。 

圖3 TB基PBI膜的拉伸應(yīng)力和膜斷裂伸長率：(a)未摻雜PA；(b) 65wt%的PA溶液摻雜；(c) 75wt%的PA溶液中摻雜。

圖4 TB基PBI膜的質(zhì)子電導(dǎo)率：(a) 65wt%的PA溶液摻雜；(b) 75wt%的PA溶液中摻雜。

圖5 TB基PBI膜燃料電池的極化和功率密度曲線 (H₂/Air)：(a) 65wt%的PA溶液摻雜；(b) 75wt%的PA溶液中摻雜； (c) TB-PBI-50和sPBI膜的單電池長期穩(wěn)定性。

  相關(guān)鏈接：

  Dai, J.; Zhang, Y.; Gong, C.; Wan, Y.; Zhuang, Y. Soluble polybenzimidazoles incorporating Tr?ger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Chemical Engineering Journal, 2023, 466, 143151. 

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143151