The effect of high-temperature proton exchange membranes with microphase separation structure on phosphoric acid loss

材料科学 磷酸 化学工程 小角X射线散射 反离子 离子键合 高分子化学 化学 有机化学 离子 散射 光学 物理 工程类 冶金 生物化学
作者
Zixin Lv,Ning Zhao,Meizi He,Qing Ju,Chao Ge,Yixin Wang,Kang Geng,Hongying Tang,Nanwen Li
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:687: 122075-122075 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2023.122075
摘要

Phosphoric acid (PA) leakage of PA-doped high-temperature proton exchange membranes (HT-PEMs) is pivotal for its practical application under working conditions. Here, to enhance the PA retention of HT-PEMs, the concept of microphase separation regulated by flexible long aliphatic side-chain was introduced into poly(isatin-co-p-terphenyl-imidazole) matrix (PITI-CmQ90) via direct superacid-catalyzed copolymerization from N-alkylated isatin monomer. The designed PITI-CmQ90 membranes illustrate obvious microphase separation and larger ionic domain confirmed via Small-angle X-ray scattering (SAXS) analysis suggesting wider proton transport channels. Notably, PA/PITI-C6Q90 membrane exhibits the best PA retention ability under relative humidity (RH) cycle tests at different temperatures, which mainly attributed to the excellent PA interaction through moderate ion aggregation in the microphase-separated PEM matrix verified by solid 31P NMR. As a result, the corresponding MEA displays the most durable single-cell performance under a step-V procedure from 1.0 V to 0.1 V cycle experiments at different temperatures. Therefore, the idea of microphase separation structure on PA retention mentioned in this work helps to study the ionic-pairs interactions from the perspective of membrane microstructure and provide a new strategy to enhance the durability of PEMs.
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