Rational design of comb-shaped poly(arylene indole piperidinium) to enhance hydroxide ion transport for H2/O2 fuel cell

芳烯 氢氧化物 高分子化学 电导率 化学 亲核取代 侧链 烷基 化学稳定性 材料科学 化学工程 聚合物 芳基 有机化学 物理化学 工程类 生物化学
作者
Xixing Zhou,Lexuan Wu,Guangxu Zhang,Ruyu Li,Xu Hu,Xuanwei Chang,Yinghua Shen,Lei Liu,Nanwen Li
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier]
卷期号:631: 119335-119335 被引量:95
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2021.119335
摘要

To produce anion exchange membranes (AEMs) possessing high conductivity and chemical stability, we propose a ternary copolymerization strategy to prepare comb-shaped poly(arylene indole piperidinium) copolymers with different lengths of side chain by the design of alkyl-functionalized isatin comonomers in the acid-catalyzed Friedel-Crafts polycondensations of N-methyl-4-piperidone and p-terphenyl. These polymers have a characteristic feature of hydrophobic side chain separately attached onto aryl-ether free backbones to induce microphase separated morphology and stable piperidinium cation within the backbone to ensure the alkaline stability. PITP-C10Q85 membrane with C10 side chain showed the highest hydroxide conductivity of 134.5 mS/cm at 80 °C due to the formed microphase separated morphology. Alkaline stability testing in 1 M NaOH at 80 °C demonstrated that 80% of initial conductivity was retained for PITP-C10Q85 membrane after 1200 h of testing, owning to the chemical degradation of piperidinium cation in comb-shaped membranes via Hoffman elimination and nucleophilic substitution reaction. By assembling in alkaline fuel cells, PITP-C10Q85 membrane delivered a peak power density of 445 mW/cm2 at a current density of 870 mA/cm2 at 60 °C. Meanwhile, in-situ stability of PITP-C10Q85 membrane demonstrated a voltage decay rate of 3.67 mV/h over 75 h of operating at 300 mA/cm2, and post-cell analysis of the aged membrane revealed that predominant nucleophilic substitution reaction was found for the degradation of PITP-C10Q85 membrane, being different from the degradation mechanisms in the ex-situ stability tests. The above results manifested that regulating the alkyl side chains on the backbone directly is a promising strategy to achieve high performance AEMs with favorable morphology, high conductivity and alkaline fuel cell performance.
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