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  不可持續性化石能源不斷消耗使當今世界面臨嚴重污染和氣候變化問題，為實現可持續發展，急需找一種可持續的、清潔的、高效的化石能源替代品。目前，燃料電池作為一種新型清潔能源裝置在國內外受到廣泛關注和研究。燃料電池汽車已廣泛應用于汽車、便攜式裝置和固定式電站等領域。目前主要商業化的質子交換膜為美國杜邦公司的Nafion系列膜，其操作溫度一般為80 °C以下, 性能突出穩定。然而，Nafion膜的應用也存在燃料透過率高及成本昂貴等問題，極大程度限制了Nafion 膜大規模商業化應用。

  為解決低溫質子交換膜如Nafion膜面臨的局限性問題，高溫質子交換膜燃料電池（100~200 ℃）的發展得到了廣泛關注。其應用具有很多優勢：如提高的電極的催化反應動力學過程；防止催化劑中毒；簡化燃料電池水、熱管理系統等。目前研究較多的高溫質子交換膜材料為聚苯并咪唑（PBI）聚合物，其摻雜磷酸后在高溫無濕度條件下具有良好的質子傳導性能。然而，傳統的PBI由于分子鏈本身的剛性導致其溶解性差，且聚合物鏈段內磷酸的吸附位點有限，導致質子傳導能力不足。因此，制備良好溶解性及高質子傳導能力的PBI膜是迫切需要的。

圖1 (a)二羧酸單體TB-COOH的合成路線; (b) TB基的PBI (TB-PBI-100、TB-PBI-75、TB-PBI-50、TB-PBI-25)和sPBI的合成路線; (c) TB基的PBI的質子轉移機理。

  為了解決這一問題，中國科學院過程工程所莊永兵研究員等在Chemical engineering journal發表了名為“Soluble polybenzimidazoles incorporating Tro?ger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells”的文章，第一作者為中國科學院過程工程所博士生代俊明。研究人員首先制備了含有TB結構的新型羧酸單體，后以此為聚合物單體，制備了一系列含有TB結構的聚苯并咪唑（TB-PBI），并將其用于高溫質子交換膜材料。對TB-PBI膜的基本性能（熱穩定性、抗氧化穩定性、磷酸吸附能力、機械性能、電導率及燃料電池性能等）進行了詳細的探究。由于TB結構引入，TB-PBI 顯示出提高的溶解性。同時，TB-PBI中額外的氮原子為膜提供了更多的磷酸載體，形成更多的質子傳輸通道，質子傳導能力改善明顯，在160 °C下最高的質子電導率可達93.2 mS cm^{– 1}，遠高于未引入TB結構的PBI膜。同時，組裝的單電池性能（H₂/air）也表明引入TB結構可獲得更高的功率密度。 

圖2 TB基PBI的熱穩定性及抗氧化穩定性。 

圖3 TB基PBI膜的拉伸應力和膜斷裂伸長率：(a)未摻雜PA；(b) 65wt%的PA溶液摻雜；(c) 75wt%的PA溶液中摻雜。

圖4 TB基PBI膜的質子電導率：(a) 65wt%的PA溶液摻雜；(b) 75wt%的PA溶液中摻雜。

圖5 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膜的單電池長期穩定性。

  相關鏈接：

  Dai, J.; Zhang, Y.; Gong, C.; Wan, Y.; Zhuang, Y. Soluble polybenzimidazoles incorporating Tr?ger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Chemical Engineering Journal, 2023, 466, 143151. 

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143151