【COF传输质子】：基于聚苯并咪唑微孔膜应用于高温质子传导

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摘要：
西安交通大学金尚彬报道的这篇文章中合成了两种基于聚苯咪唑的内在微孔聚合物(PIM-PBIs),探究了它们作为高温质子交换膜的潜力。实验表明,PIM-PBIs具有良好的热稳定性和大的比表面积,有利于磷酸负载。将PIM-PBIs和聚偏二氟乙烯(PVDF)制成混合基质膜,膜在140°C下质子导电率可达90.11 mS/cm,磷酸保持率高达90%。本文为设计和制备质子导电材料提供了一种简便方法。

研究背景
(1)高温质子交换膜燃料电池中的质子交换膜是核心部件,目前存在导电率较低,机械性能差等问题。
(2)其他学者主要采用增加交联剂等方法改善机械性能,但会影响质子传导;也有采用MOFs等多孔材料作为填充物提高质子载体传输能力。
(3)本文在其他研究基础上,设计合成了PIM-PBIs材料,既具有丰富的咪唑基团有利于磷酸加载,又具有内在微孔结构有利于质子传导。

实验部分：
(1)合成了两种PIM-PBIs,化学结构通过FT-IR、1H NMR等表征确认。
(2)测定了PIM-PBIs的BET表面积,孔径分布等,PIM-PBI-2表面积高达350 m2/g。
(3)将PIM-PBIs与PVDF不同质量比配制成混合基质膜,研究膜的热稳定性、机械性能、质子导电率等性能。

分析表征：
(1)XPS和FT-IR证明PIM-PBIs与磷酸之间存在物理吸附和化学吸附。
(2)随温度升高,膜的质子导电率明显提高;PIM-PBI-2-70%膜在140°C下质子导电率高达90.11 mS/cm。
(3)PIM-PBI-2-70%膜拉伸强度高达77.5 MPa,断裂伸长率达19%。
(4)140°C条件下25小时内,PIM-PBI-2-70%膜质子导电率保持率高达97.2%。

总结：
本文成功合成了两种PIM-PBIs材料,并与PVDF制成混合基质膜用于高温质子交换膜。丰富的微孔结构有利于加载更多磷酸从而提高质子导电率。这为开发高性能高温质子交换膜提供了策略。

展望与建议：
(1)进一步优化PIM-PBIs的孔径分布,使其更适合质子载体的传输。
(2)考察不同温度、湿度条件下膜的长期运行稳定性。
(3)制备MEA,测试单电池性能。

Polybenzimidazole-based polymers of intrinsic microporosity membrane for high-temperature proton conduction
文章作者：Huihui Luo , Fan Yang , Chao Li , Yifei Zhong , Cheng Cheng , Shaolei Wang , Shangbin Jin
DOI：10.1016/j.cej.2023.146611
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723053421