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中科院過程工程所Yongbing Zhuang課題組--結(jié)合Tro?ger 堿的可溶性聚苯并咪唑用于高溫質(zhì)子交換膜燃料電池

在這項(xiàng)工作中，合成了一種含有 Tröger 堿 (TB) 的新型二羧酸 (TB-COOH)，并制備了新的基于 TB 的聚苯并咪唑 (PBI) 膜作為高溫質(zhì)子交換膜 (HT-PEM) 燃料電池的電解質(zhì). 基于 TB 的 PBIs 在用三乙基銨鹽處理后顯示出良好的可加工性。所制備的基于 TB 的 PBI 膜表現(xiàn)出超過 126.6 MPa 的優(yōu)異拉伸強(qiáng)度和在 374℃ 至 411℃的 5% 重量損失下的高分解溫度。基于 TB 的 PBI 膜的殘余重量在芬頓試劑中在 80℃下保持 80% 以上 48 小時(shí)。值得注意的是，基于 TB 的 PBI 中有額外的氮原子，它們的磷酸吸收能力比沒有 TB 單元的相應(yīng)磺化聚苯并咪唑 (sPBI) 有明顯改善，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，是磺化 PBI (sPBI) 膜的41.2 mS cm^-1的 2.3 倍。H₂ /空氣燃料電池的最高峰值功率密度在160℃非濕度條件下達(dá)到225.5 mW cm^-2 ，遠(yuǎn)高于sPBI膜的值。基于其出色的綜合性能，將 TB 納入鏈主鏈優(yōu)化了用于 HT-PEM 應(yīng)用的 PBI 電解質(zhì)。

Fig 1. (a)二羧酸單體(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 的質(zhì)子轉(zhuǎn)移機(jī)制。

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

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

Fig 4. (a)基于 TB 的 PBI 和 sPBI 膜的TGA熱分析圖；(b) 膜在 Fenton 試劑中浸泡 24 和 48 小時(shí)后的殘余重量。

Fig 5. 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。

Fig 6. (a) TB–PBI-100、TB–PBI-75、TB–PBI-50、TB–PBI-25 和 sPBI 膜摻雜 65 wt% 后，PA 摻雜膜的質(zhì)子電導(dǎo)率隨溫度的變化PA溶液以及 (b) TB–PBI-50、TB–PBI-25 和 sPBI 膜在摻雜 75 wt% PA 溶液后。

Fig 7. 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)研究工作由中科院過程工程所Yongbing Zhuang課題組于2023年在線發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》期刊上，原文：Soluble polybenzimidazoles incorporating Tröger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells。

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)



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