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Poly(Styrene-b-Isobutylene-b-Styrene) (SIBS)-Based Comb-Shaped Anion Exchange Membranes for Alkaline Fuel Cell with Three-Dimensional Ordered Phase Separation and Enhanced Conductivity

苯乙烯 电导率 异丁烯 离子 材料科学 离子交换 燃料电池 相(物质) 高分子化学 化学工程 化学 有机化学 共聚物 复合材料 物理化学 聚合物 生物化学 工程类
作者
Cuizhi Zhang,Hong Lv,Kai Wang,Pengfei Sun,Shaojie Liu,Xiaomeng Chu,Yuan Miao,Nanwen Li,Song Zhao
出处
期刊:ACS applied polymer materials [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsapm.5c00131
摘要

Polymers backbones with free of aryl-ether structures are preferred for producing stable anion exchange membranes (AEMs) suitable for alkaline fuel cells. In this study, we utilized the inert all-hydrocarbon polymer poly(styrene-b-isobutylene-b-styrene) (SIBS) as the polymer backbone and integrated tertiary amines with varying carbon chain lengths to synthesize alkaline stable comb-shaped AEMs via halogenation and the Menschutkin reaction. The synthesized QSIBS–OH-Cn membranes demonstrated remarkable film-forming capabilities and mechanical properties, and SAXS analysis revealed the presence of distinct hydrophilic and hydrophobic microphase separation structures, which promote the self-assembly of ion clusters, resulting in the formation of interconnected ion transport pathways within the membrane. Therefore, the QSIBS–OH-Cn membranes demonstrated a significant enhancement in hydroxide conductivity, reaching up to 104 mS cm–1 at 80 °C, a marked improvement over their poly(phenylene oxide)-based equivalents. Furthermore, the QSIBS–OH-Cn membranes exhibited remarkable alkaline stability, maintaining over 92% of their conductivity after 1800 h at 80 °C in a 1 M NaOH solution, underscoring the significance of the polymer backbone and the com-shaped molecular architecture. Finally, the QSISBS–OH-Cn and QPPO–OH-Cn membranes were utilized in single alkaline fuel cells operating with H2/O2 at 60 °C, where the QSIBS–OH–C12 membrane demonstrated a peak power density of 537 mW cm–2 at a current density of 670 mA cm–2. Moreover, the QSIBS–OH–C6 and QSIBS–OH–C12 membranes displayed their stability across the durability tests of fuel cell for over 120 h with 0.3 V constant voltage. Overall, this study emphasizes the significance of the SIBS thermoplastic triblock polymer as a backbone and the integration of comb-shaped molecular architectures in developing robust AEMs, offering a strategic method for optimizing the molecular design of AEMs.
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