N-cyclic quaternary ammonium-functionalized anion exchange membrane with improved alkaline stability enabled by aryl-ether free polymer backbones for alkaline fuel cells

氢氧化物 化学 高分子化学 芳基 离子交换 乙醚 苯乙烯 聚合物 氢氧化铵 电导率 共聚物 核化学 无机化学 有机化学 离子 烷基 生物化学 物理化学
作者
Xin Wang,Weibing Sheng,Yinghua Shen,Lei Liu,Sheng Dai,Nanwen Li
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:587: 117135-117135 被引量:57
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2019.05.059
摘要

To realize highly stable anion exchange membrane for alkaline fuel cells, aryl-ether free polystyrene (PS) was employed as polymer backbone and functionalized with alkaline stable N-cyclic quaternary ammonium (QA), e.g. six-membered (DMP) and bis-six-membered N-cyclic QA (ASU) cations via “click chemistry”. Surprisingly, aryl-ether free PS backbone having ASU cation displayed excellent chemical resistance in 1 M NaOH CD3OD/D2O solution at 80 °C even for 3000 h without obvious degradation, as confirmed by NMR spectroscopy. After blending with poly(styrene-ethylene-co-butylene-styrene) (SEBS) copolymer which improved the film-forming ability due to the poor mechanical properties of PS, the ASU-based blended membrane (SEBS/PS-ASU) having SEBS polymer of 10 wt% possessed the hydroxide conductivity of 31.6 mS/cm with an ion exchange capacity (IEC) of 1.76 meq./g. This value was higher than the blended membrane having DMP cations (25.8 mS/cm with a IEC of 1.92 meq./g). Similar behavior has been observed for the PPO system having the same functional cations. It was believed that the high water uptake of ASU-based membrane resulted in the higher ion conductivity. Remarkably, 92.4% of initial hydroxide conductivity was retained for SEBS/PS-ASU membrane with aryl-ether free PS backbone after storage in 1 M NaOH at 80 °C for 900 h, indicating the higher alkaline stability over the AEM counterpart with aromatic PPO polymer backbones having aryl ether bonds (21.0% retention in conductivity under the same test conditions). And the accelerated stability test in 5 M NaOH at 80 °C demonstrated that only 16.8% of loss in conductivity was observed after 1800 h of testing for the blend AEMs having ASU cations. Furthermore, as ionomers in catalyst layers, the ASU-functionalized PS copolymers showed a peak power density of 130 mW/cm2 at a current density of 210 mA/cm2.

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