【原】中科院过程工程所Yongbing Zhuang课题组--结合Tröger 碱的可溶性聚苯并咪唑用于高温质子交换膜燃料电池

在这项工作中，合成了一种含有 Tröger 碱 (TB) 的新型二羧酸 (TB-COOH)，并制备了新的基于 TB 的聚苯并咪唑 (PBI) 膜作为高温质子交换膜 (HT-PEM) 燃料电池的电解质. 基于 TB 的 PBIs 在用三乙基铵盐处理后显示出良好的可加工性。所制备的基于 TB 的 PBI 膜表现出超过 126.6 MPa 的优异拉伸强度和在 374℃ 至 411℃的 5% 重量损失下的高分解温度。基于 TB 的 PBI 膜的残余重量在芬顿试剂中在 80℃下保持 80% 以上 48 小时。值得注意的是，基于 TB 的 PBI 中有额外的氮原子，它们的磷酸吸收能力比没有 TB 单元的相应磺化聚苯并咪唑 (sPBI) 有明显改善，在160°C下最高的质子电导率可达93.2 mS cm^{– 1}，远高于未引入TB结构的PBI膜，是磺化 PBI (sPBI) 膜的41.2 mS cm^-1的 2.3 倍。H₂ /空气燃料电池的最高峰值功率密度在160℃非湿度条件下达到225.5 mW cm^-2，远高于sPBI膜的值。基于其出色的综合性能，将 TB 纳入链主链优化了用于 HT-PEM 应用的 PBI 电解质。

         

Fig 1. (a)二羧酸单体(TB-COOH) 和 (b) 基于 TB 的 PBI（TB–PBI-100、TB–PBI-75、TB–PBI-50、TB–PBI-25）和 sPBI 的合成；(c) 基于 TB 的 PBI 的质子转移机制。

Fig 2. (a) TB–COOH、(b) TB–PBI-100 和 (c) TB–PBI-50 在 DMSO- d₆中的¹H NMR 谱图。

Fig 3. (a) TB-COOH 和 (b) 基于 TB 的 PBI 和 sPBI 膜的 FT-IR 光谱。

Fig 4. (a)基于 TB 的 PBI 和 sPBI 膜的TGA热分析图；(b) 膜在 Fenton 试剂中浸泡 24 和 48 小时后的残余重量。

Fig 5. TB基PBI膜的拉伸应力和膜断裂伸长率：(a)未掺杂PA；(b) 65wt%的PA溶液掺杂；(c) 75wt%的PA溶液中掺杂。

Fig 6. (a) TB–PBI-100、TB–PBI-75、TB–PBI-50、TB–PBI-25 和 sPBI 膜掺杂 65 wt% 后，PA 掺杂膜的质子电导率随温度的变化PA溶液以及 (b) TB–PBI-50、TB–PBI-25 和 sPBI 膜在掺杂 75 wt% PA 溶液后。

Fig 7. TB基PBI膜燃料电池的极化和功率密度曲线 (H²/Air)：(a) 65wt%的PA溶液掺杂；(b) 75wt%的PA溶液中掺杂；(c) TB-PBI-50和sPBI膜的单电池长期稳定性。

相关研究工作由中科院过程工程所Yongbing Zhuang课题组于2023年在线发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上，原文：Soluble polybenzimidazoles incorporating Tröger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells。