吉林大学赵成吉AFM: 具有固有微孔的抗氧化硫化物连接聚合物膜，使燃料电池在宽温度范围内实现出色的功率密度和耐用性

传统的磷酸（PA）掺杂聚苯并咪唑被认为是最有希望用于高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）的材料。然而，由于其生产成本高、氧化稳定性差以及PA在低温下的损失，其实际应用一直受到阻碍。在此，我们设计了一种含有 “硫化物连接 ”自由基人工合成剂的本征微孔聚合物，它具有良好的溶解性和较高的PA保留率，使其能够在80-180 °C下长期工作。具体地说，“硫化物-连接 ”自由基-人工合成剂使PSBI-IM可持续100 小时，质量保留率仍高于90%，微孔的毛细管效应使PSBI-IM/PA在高湿度条件下可保留60%以上的 PA。经过合理优化，使用PSBI-IM/PA组装的电池功率密度达到1.62 W cm-2，比功率为2.7 W mg-1，工作时间超过500 h（0.2/0.4 A cm-2 @160 ℃）。此外，即使在0.4 A cm−2@ 80 °C下进行40 小时的加速应力测试，电压降也只有5%。因此，PSBI-IM/PA可在80至160 °C的宽温度范围内保持稳定，为HT-PEMFC提供了一种具有灵活工作温度的新型材料。

图文简介

a )具有微孔结构聚合物PSBI-IM的优化模型。由于链段的不完全堆叠，产生了大量的微孔。灰色C，白色H，红色O，蓝色N，黄色F，橙色S；b ) PSBI-IM/PA膜(绿色区域表示微孔中的聚合物,粉红色区域表示微孔中的PA分子)图；c ) PA分布在膜内微孔区域，微孔作为PA运动的快速通道；d ) PA掺杂膜组装的HT-PEMFC单电池组成图。

两种具有不同空间构型的聚合物的合成过程

a ) PSBI-IM、PTP-IM和OPBI的溶解性比较。b ) PSBI-IM/PA、PTP-IM/PA和OPBI/PA在氮气气氛中的TGA曲线；c )本征微孔聚合物PSBI-F在77 K下的N2吸附和脱附曲线以及根据密度泛函理论( DFT )计算的孔径分布；d)本征微孔聚合物PSBI-IM在77 K下的N2吸脱附曲线和根据密度泛函理论( DFT )计算的孔径分布。

a ) PSBI-IM/PA、PTP-IM/PA和OPBI/PA膜在80 ~ 180 °C无外界加湿条件下的质子传导率；b ) 433 K时PSBI-IM和PTP-IM体系中H ( PA )的均方位移( MSD )；c ) PSBI-IM/PA、PTP-IM/PA和OPBI/PA膜的SAXS曲线；d ) PA在60 °C，50 % RH下的质量保持能力；e) PSBI-IM/PA和PTP-IM/PA在DMSO-d6中的+31P NMR谱（由于OPBI/PA溶解度差，未得到其谱）；f ) ATR模式下测试了PSBI-IM/PA和PTP-IM/PA膜的FT-IR谱图。

a )基于PSBI-IM/PA ( 59 µm , 0.2 A cm-2 / 0.4 A cm-2 @160 ° C)和OPBI/PA ( 57 µm , 0.4 A cm-2 @160 ° C)的HT-PEMFC原位耐久性；b )基于PSBI-IM/PA和OPBI/PA的单电池在0.2 A cm-2@80 °C下的耐久性；c ) PSBI-IM/PA膜在80 °C AST循环过程中的峰值功率密度变化；d )比较了近年来(红色和绿色符号分别表示0.4和0.2 A cm -2)中HT-PEMFC的原位耐久性和衰减速率。

论文信息

通讯作者：Chengji Zhao