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  在過去的二十年中，電化學(xué)電池和膜分離工藝出現(xiàn)了新的應(yīng)用領(lǐng)域，這為新型聚苯并咪唑（PBI）材料發(fā)展提供了巨大動(dòng)力。PBI是一類以苯并咪唑基團(tuán)作為結(jié)構(gòu)重復(fù)單元的一系列聚合物的總稱，是一大類新型工程塑料。PBI 作為芳香雜環(huán)高分子聚合物，具有突出的熱穩(wěn)定性和成膜性能，膜材料力學(xué)性能優(yōu)良。聚合物中的堿性苯并咪唑基團(tuán)對(duì)酸的親和力，可使酸摻雜在聚合物骨架中，同時(shí)根據(jù)Br?nsted–Lowry酸堿理論，苯并咪唑基團(tuán)也具有酸性，可以在堿性溶液中結(jié)合氫氧離子去質(zhì)子化。由于PBI具有兩性，在酸性和堿性溶液中可以表現(xiàn)出不同物理化學(xué)性質(zhì)，因此可以同時(shí)滿足在酸、堿兩性環(huán)境下的工作需求，近年來被廣泛用作電化學(xué)能源裝置，如酸性或堿性燃料電池、水電解池、二氧化硫電解池、液流電池等電解質(zhì)隔膜。

圖1. 聚苯并咪唑和相應(yīng)的質(zhì)子化聚苯并咪唑陽(yáng)離子和聚苯并咪唑鎓鹽的應(yīng)用實(shí)例

  目前廣泛研究并被商業(yè)化的PBI聚合物為：聚(2,2’-(m苯基)-5,5’-聯(lián)苯咪唑)（mPBI）。該種全芳型的聚合物由Vogel和Marvel在1961年首次合成得到。作為一種熱塑型聚合物，mPBI聚合具有良好的熱穩(wěn)定性，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 為425-436 oC 。隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，PBI材料也面對(duì)各種需求與挑戰(zhàn)，新型的PBI材料也隨之涌現(xiàn)，針對(duì)不同的工作環(huán)境需求，含有不同基團(tuán)的PBI材料被合成用以解決來自外部材料的挑戰(zhàn)。

  在本綜述論文中，楊景帥副教授和David Aili研究員綜述并總結(jié)了不同類型PBI聚合物的合成、改性方法及在燃料電池和水電解池等器件中的應(yīng)用情況。具體來說，系統(tǒng)總結(jié)了新型PBI材料的合成條件，包括m-PBI在內(nèi)的68種新型PBI聚合物材料，及22種以PBI為基體的共聚聚合物材料合成方法。討論了聚合物有機(jī)溶劑溶解性和分子量分布。詳細(xì)介紹聚苯并咪唑膜材料的化學(xué)接枝改性方法、化學(xué)交聯(lián)改性方法和聚合物共混改性方法。隨后討論了磷酸與PBI聚合物之間的作用關(guān)系，及磷酸摻雜PBI膜材料用作燃料電池膜電解質(zhì)材料的理化性能。并討論了聚苯并咪唑材料被去質(zhì)子化后用作堿性膜材料的研究進(jìn)展、降解機(jī)理和改性方法。最后對(duì)聚苯并咪唑材料在能源轉(zhuǎn)化裝置器件中應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)和展望。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A（J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/d0ta01788d）上。該論文的共同通訊作者為丹麥科技大學(xué)David Aili研究員和東北大學(xué)楊景帥副教授。該論文得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。

  論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TA/D0TA01788D#!divAbstract