Tuning polar discrimination between side chains to improve the performance of anion exchange membranes

侧链 电导率 烷基 化学 离子交换 离子 材料科学 高分子化学 化学工程 有机化学 生物化学 聚合物 工程类 物理化学
作者
Wei Gao,Xue Lang Gao,Qiu Gen Zhang,Ai Mei Zhu,Qing Lin Liu
出处
期刊:Journal of Colloid and Interface Science [Elsevier]
卷期号:665: 133-143
标识
DOI:10.1016/j.jcis.2024.03.117
摘要

Anion exchange membranes (AEMs) are the heart of alkaline fuel cells and water electrolysis, and have made a great progress in recent years. However, AEMs are still unable to satisfy the needs of high conductivity and stability, hindering their widespread commercialization. Side chain regulations have been widely used to prepare highly conductive and durable AEMs. Here, we construct a series of polyaromatic AEMs grafted with fluorinated cation side chains and cation-free alkyl chains with different end groups to explore the polar discrimination of side chains on membrane performance. This work demonstrates that AEMs grafting the cation side chains with superhydrophobic fluorine pendent and alkyl side chains with hydrophilic pendent enhance water content and ion conductivity. This is due to the strong immiscibility between the hydrophilic and hydrophobic head groups which promotes the establishments of microphase separation and ion highways. Specifically, poly(binaphthyl-co-terphenyl piperidinium) containing fluorinated piperidinium side chains and alkyl chains with methoxy pendent (QBNTP-QFM) possesses a satisficed OH- conductivity (170.6 mS cm-1 at 80 °C) and can tolerate 5 M hot NaOH for 2100 h with only 3.4 % conductivity loss. Expectedly, the single cell with QBNTP-QFM yields a prominent maximum power density of 1.62 W cm-2 and the water electrolysis cell with QBNTP-QFM achieves a pronounced current density of 3.0 A cm-2 at 1.8 V, both cells also display a prominent durability for 120 h operation. The results prove that this side chain optimization can improve ion conductivity and is a promising method for AEM development.
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