唐传兵Angew. Chem. Int. Ed. 热点文章: 用于强劲的碱性阴离子交换膜的阳离子金属有机聚电解质

【引言】

聚电解质具有广泛的应用(如涂料、生物医学材料)。其中，阳离子聚电解质已广泛用作将燃料转化为电能的碱性燃料电池的阴离子交换膜(AEMs)，燃料电池的操作温度低于100℃，因此其作为电动汽车和便携式设备的能量转换器件具有更强的吸引力。一般来说，AEMs是含有共价连接到疏水聚合物骨架的阳离子的共聚物。最常用的方法是使用含有季铵阳离子(QAC)的聚合物。然而，季铵盐在高度碱性条件容易通过霍夫曼降解消除(E2)或亲核取代(S_N2)被降解。在过去的数年中，研究人员提出了一些策略以提升AEM骨架碱性环境下的稳定性。然而，这些方法抑或牺牲了离子电导率，抑或在实现长期稳定仍然面临挑战。

【成果简介】

近日，美国南卡罗来纳大学唐传兵教授(通讯作者)等制备了具有化学惰性以及韧性的阳离子金属有机聚电解质，将其作为持久耐用的阴离子交换膜(AEMs)，并在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了题为“Cationic Metallo-Polyelectrolytes for Robust Alkaline Anion-Exchange Membranes”的研究论文。该论文被选为热点论文。制备过程先从三唑作为唯一连接基团的含二茂钴阳离子环辛烯的开环易位聚合(ROMP)开始，之后是骨架氢化，进而产生了具有类聚乙烯框架和碱性稳定的二茂钴阳离子作为离子传导的新型AEMs。上述AEMs表现出优异的热、化学和机械稳定性以及较高的离子电导率。

【图文简介】

图1 阴离子交换膜材料制备过程示意图

a) 二茂钴单体(2)、共聚物(3)以及作为AEMs的氢化聚合物(4)的合成；

b) 柔性透明二茂钴AEMs的图像；

c) 含有二茂钴的AEMs可能的分子链结构和离子传导路径。

图2 阴离子交换膜材料的结构表征

二茂钴单体(2)(CDCl3溶剂)(上)、共聚物(3)(中)以及氢化聚合物(4)(二甲亚砜-d6溶剂)(下)的¹H NMR谱图。

图3 阴离子交换膜材料的稳定性以及离子电导率表征

a) 二茂钴AEMs的TGA和DTG曲线；

b) 二茂钴AEMs的SAXS曲线；

c) 二茂钴AEMs的的氢氧根传导率随温度的变化；

d) 二茂钴AEMs的室温传导率随交换膜浸入碱溶液时间的变化。

【小结】

研究人员设计了含有二茂钴阳离子、类聚乙烯骨架和不发生水解的连接基团的聚电解质作为新型阴离子交换膜。上述共聚物通过开环易位聚合结合聚合物骨架氢化制备而来。上述离子交换膜持久耐用，具有优良的韧性和柔性，阳离子和聚合物其他成分出色的化学稳定性以及良好的离子导电性。这项工作表明侧链二茂钴聚合物在燃料电池阴离子交换膜材料的应用前景良好。

文献链接：Cationic Metallo-Polyelectrolytes for Robust Alkaline Anion-Exchange Membranes(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201712387)

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