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燃料電池可以高效率地將貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，其中堿性離子膜燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率可高達(dá)70%（圖1），對該領(lǐng)域的研究有望解決化石燃料枯竭及環(huán)境污染問題。對堿性陰離子交換膜的核心部件——陰離子交換膜的研究已成為國內(nèi)外的熱點(diǎn)問題，其中關(guān)鍵的科學(xué)問題包括如何提高陰離子交換膜的離子傳導(dǎo)性能；如何增強(qiáng)其機(jī)械性能，尤其在含有高密度離子交換基團(tuán)時膜材料的機(jī)械性能問題；如何獲得強(qiáng)堿性條件下的高穩(wěn)定性。針對這些挑戰(zhàn)，中國科大功能膜研究室與國際同行合作，利用Troger’s Base結(jié)構(gòu)中V型的剛性結(jié)構(gòu)，阻止聚合物鏈段的有效堆積，首次制備了系列自具微孔結(jié)構(gòu)的陰離子交換膜材料，實(shí)驗(yàn)中所涉及的單體來源于商業(yè)化的小分子，合成過程簡單，不需高溫高壓，在室溫下使用常用試劑即可完成。膜內(nèi)微孔尺寸大小在0.8 nm左右，其BET表面積在38-899 m2/g，對所獲得的陰離子交換膜離子傳導(dǎo)特性研究發(fā)現(xiàn)，該類膜材料可以在非常低的離子交換容量下，實(shí)現(xiàn)超高的離子傳導(dǎo)特性，比如在離子交換容量僅為 0.82 mmol/g時，DMBP-QTB膜的OH-電導(dǎo)率可高達(dá)164.4 mS/cm，遠(yuǎn)高于其他已報道的陰離子交換膜(圖2)。

圖1. Troger’s Base基高電導(dǎo)性能陰離子交換膜及潛在燃料電池應(yīng)用

圖2. Troger’s Base陰離子交換膜離子傳導(dǎo)性能

這一研究結(jié)果表明，多孔有機(jī)聚合物中貫通的孔道結(jié)構(gòu)對實(shí)現(xiàn)陰離子的快速傳遞具有重要意義；陰離子在受限空間中具有不同于致密膜結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)特性。審稿人評價認(rèn)為：“這是一個非常有趣的工作，他們利用了商業(yè)化的試劑，制備了高性能的陰離子交換膜。所得材料各個方面的表征很完整，性能令人驚嘆。這一類聚合物基的陰離子膜將在整個燃料電池的研究群體中引起非常廣泛的研究興趣。”

相關(guān)成果以“Highly Conductive Anion Exchange Membranes from Microporous Tr?ger’s Base Polymers”為題發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201605916)。論文第一作者為中國科技大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院楊正金博士后，徐銅文教授、Neil. B. McKeown和Michael D. Guiver為論文的共同通訊作者。該研究得到了科技部973項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和教育部能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心（iChEM）、中國博士后基金項(xiàng)目和青年創(chuàng)新基金項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持

原文鏈接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/anie.201605916/abstract