唐傳兵Angew. Chem. Int. Ed. 熱點文章: 用于強勁的堿性陰離子交換膜的陽離子金屬有機聚電解質

【引言】

聚電解質具有廣泛的應用(如涂料、生物醫學材料)。其中，陽離子聚電解質已廣泛用作將燃料轉化為電能的堿性燃料電池的陰離子交換膜(AEMs)，燃料電池的操作溫度低于100℃，因此其作為電動汽車和便攜式設備的能量轉換器件具有更強的吸引力。一般來說，AEMs是含有共價連接到疏水聚合物骨架的陽離子的共聚物。最常用的方法是使用含有季銨陽離子(QAC)的聚合物。然而，季銨鹽在高度堿性條件容易通過霍夫曼降解消除(E2)或親核取代(S_N2)被降解。在過去的數年中，研究人員提出了一些策略以提升AEM骨架堿性環境下的穩定性。然而，這些方法抑或犧牲了離子電導率，抑或在實現長期穩定仍然面臨挑戰。

【成果簡介】

近日，美國南卡羅來納大學唐傳兵教授(通訊作者)等制備了具有化學惰性以及韌性的陽離子金屬有機聚電解質，將其作為持久耐用的陰離子交換膜(AEMs)，并在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“Cationic Metallo-Polyelectrolytes for Robust Alkaline Anion-Exchange Membranes”的研究論文。該論文被選為熱點論文。制備過程先從三唑作為唯一連接基團的含二茂鈷陽離子環辛烯的開環易位聚合(ROMP)開始，之后是骨架氫化，進而產生了具有類聚乙烯框架和堿性穩定的二茂鈷陽離子作為離子傳導的新型AEMs。上述AEMs表現出優異的熱、化學和機械穩定性以及較高的離子電導率。

【圖文簡介】

圖1 陰離子交換膜材料制備過程示意圖

a) 二茂鈷單體(2)、共聚物(3)以及作為AEMs的氫化聚合物(4)的合成；

b) 柔性透明二茂鈷AEMs的圖像；

c) 含有二茂鈷的AEMs可能的分子鏈結構和離子傳導路徑。

圖2 陰離子交換膜材料的結構表征

二茂鈷單體(2)(CDCl3溶劑)(上)、共聚物(3)(中)以及氫化聚合物(4)(二甲亞砜-d6溶劑)(下)的¹H NMR譜圖。

圖3 陰離子交換膜材料的穩定性以及離子電導率表征

a) 二茂鈷AEMs的TGA和DTG曲線；

b) 二茂鈷AEMs的SAXS曲線；

c) 二茂鈷AEMs的的氫氧根傳導率隨溫度的變化；

d) 二茂鈷AEMs的室溫傳導率隨交換膜浸入堿溶液時間的變化。

【小結】

研究人員設計了含有二茂鈷陽離子、類聚乙烯骨架和不發生水解的連接基團的聚電解質作為新型陰離子交換膜。上述共聚物通過開環易位聚合結合聚合物骨架氫化制備而來。上述離子交換膜持久耐用，具有優良的韌性和柔性，陽離子和聚合物其他成分出色的化學穩定性以及良好的離子導電性。這項工作表明側鏈二茂鈷聚合物在燃料電池陰離子交換膜材料的應用前景良好。

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

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