二面角构象嵌段型苯并咪唑盐阴离子交换膜的合成与性能研究
批准号:
22078272
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
刘庆林
依托单位:
学科分类:
分离工程
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘庆林
中文摘要
为合成耐碱性良好的阴离子交换膜(AEM),设计具有平面二面角结构的三联苯苯并咪唑环单体,进而合成具有空间位阻保护的聚三联苯苯并咪唑盐AEM。苯并咪唑环和三联苯形成具有一定角度的平面二面角,同时利用三联苯的空间位阻作用,阻止氢氧根离子对苯并咪唑环的攻击,增强膜的耐碱性。通过表征分析膜的微观结构、溶胀性能、离子电导率、耐碱性等数据,明晰平面二面角和三联苯的空间位阻效应对膜性能的影响。同时利用密度泛函理论计算验证三联苯结构对改善苯并咪唑环耐碱性的贡献。调控反应条件与合成步骤,使膜中形成良好的微相分离结构及适当的纳米孔道,促进提高膜的离子电导率。采用软刻蚀法把催化剂涂覆于AEM制备膜电极,可使催化剂层具有一定的结构或模式,以利于改善电池运行过程的水的管理与调配,进而提高单电池性能。通过该结构的设计与调控,有望解决AEM耐碱性不足的科学问题,为碱性燃料电池的大规模商业化应用提供借鉴。
英文摘要
A benzimidazole ring with a planar dihedral structure is designed and then is used to synthesize benzimidazole ring polymer with steric protection. The polymer is further used for preparing anion exchange membranes(AEMs) with good alkaline stability. The benzimidazole ring and meta-terphenyl can form a planar dihedral angle, and the steric hindrance of meta-terphenyl is used to prevent the benzimidazole ring from the attack of hydroxyl ion to reduce the ring degradation. This structure is efficient at maintaining the ionic conductivity. The influences of the planar dihedral angle and steric resistance of meta-terphenyl on the membrane property are elucidated by characterizing the microstructure, swelling, ionic conductivity and alkaline stability. Density functional theory is also used to study the effect of meta-terphenyl on the alkaline stability. The ionic conductivity can be improved by the formation of microphase separation and nanopores in the AEMs. The soft lithographic technique, previously demonstrated for use in the preparation of patterned thin films, is adopted to produce patterned catalyst layers on the AEM for single cells with features having a thickness of up to 20 μm. The resulting catalyst layers contained precise microscopic patterns (containing arrays of microscale cylindrical holes) that could be tuned for improving the performance of single cells. This structure can solve the problem of poor alkaline stability of AEMs. The research is expected to provide guidance for the application of alkaline fuel cells.
阴离子交换膜(AEM)是碱性燃料电池关键部件之一。因此,开发高碱稳定性和高离子电导率的AEM意义重大。研究证实支化结构有利于膜内OH−的运输和提升碱稳定性。然而,不同的支化结构对膜性能的影响仍有待探索。本项目设计了一系列支化型聚芳烃AEM,着重探索了膜性能与结构之间的关系,主要研究内容、重要结果、关键数据如下:.(1) 通过超酸催化制备了一系列不同构型的支化型聚芳烃AEM。通过微观形貌表征证实,所制备的AEM具有较好的OH−传导通道。在80℃时,柔性单体支化PBTMPASU膜的OH−电导率(128.2 mS cm-1) 最高,优于刚性单体支化PBTBPASU、PBTPASU膜及直链PBPASU膜。PBTMPASU膜制备的单电池的峰值功率密度(559.9 mW cm-2)比PBTBPASU、PBTPASU及PBPASU膜更高。此外,在80 ℃ 2 M NaOH溶液中进行 1080 h的耐碱测试后,PBTMPASU膜的OH−电导保留率达94.1%。.(2) 为进一步提升AEM的OH−电导率,设计了一种多阳离子交联支化型聚芳烃哌啶AEM。与直链聚芳烃哌啶AEM相比,支化AEM的离子电导率和耐碱性更优。引入柔性多阳离子交联剂,AEM的碱稳定性和OH−传导性进一步改善。性能最优的多阳离子交联支化型聚芳烃哌啶膜(PTTPQ4-40)在80 ℃时的OH−电导率达155.3 mS cm-1。在80 ℃下,将PTTPQ4-40 膜在2 M NaOH溶液中进行1080 h的耐碱测试后,PTTPQ4-40膜的OH−电导保留率为92.1%。此外,基于PTTPQ4-40膜制备的单电池在80 ℃ H2-O2条件下的峰值功率密度达656.7 mW cm-2。.这些结果表明,具有柔性支化结构和多阳离子交联支化型聚芳烃AEM可望用于燃料电池,对合成高性能阴离子交换膜有借鉴意义。
四苯基环戊二烯基新型爪形阴离子交换膜的合成和稳定性研究
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:刘庆林
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依托单位:
基于空间立体构型的高性能噻吩类阴离子交换膜的制备与表征
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批准号:21878252
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2018
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负责人:刘庆林
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依托单位:
用于碱性燃料电池的含胍盐接枝共聚物阴离子交换膜的合成和性能研究
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批准号:21576226
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项目类别:面上项目
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资助金额:75.0万元
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批准年份:2015
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负责人:刘庆林
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依托单位:
面向燃料电池的亲/疏水嵌段阴离子交换膜的结构调控、性能和离子传输机理
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批准号:21376194
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项目类别:面上项目
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资助金额:85.0万元
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批准年份:2013
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负责人:刘庆林
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依托单位:
具有互穿网络结构的聚乙烯醇/聚乙烯亚胺系列共混阴离子交换膜表面分子链移动性、结构和性能
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批准号:21076170
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项目类别:面上项目
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资助金额:38.0万元
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批准年份:2010
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负责人:刘庆林
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依托单位:
聚乙烯醇/聚丙烯酸/POSS杂化膜制备及膜中分子传递机理研究
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批准号:20976145
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项目类别:面上项目
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资助金额:35.0万元
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批准年份:2009
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负责人:刘庆林
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依托单位:
碳/硅杂化膜的制备、微相结构及膜相中渗透分子传递机理
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批准号:50573063
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项目类别:面上项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2005
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负责人:刘庆林
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依托单位:
催化杂化膜制备、膜体系的分子扩散及膜催化机理研究
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批准号:50243014
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项目类别:专项基金项目
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资助金额:23.0万元
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批准年份:2002
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负责人:刘庆林
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依托单位:
国内基金
海外基金