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One-Pot Synthesis of Proton Exchange Membranes from Anion Exchange Membrane Precursors

Nafion公司 烷基 侧链 磺酸 聚合物 离子交换 磺酸盐 高分子化学 电导率 材料科学 化学工程 化学 聚电解质 电化学 有机化学 离子 电极 物理化学 工程类 生物化学
作者
Michael K. Pagels,Santosh Adhikari,Ramali C. Walgama,Asheesh Singh,Junyoung Han,Dongwon Shin,Chulsung Bae
出处
期刊:ACS Macro Letters [American Chemical Society]
卷期号:9 (10): 1489-1493 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsmacrolett.0c00550
摘要

Proton exchange membranes (PEMs) play a critical role in many electrochemical devices that could solve the shortcomings of current energy storage and conversion systems. Hydrocarbon-based PEMs are an attractive alternative for replacing the state-of-the-art perfluorosulfonic acid PEMs; however, synthetic routes are generally limited to sulfonation of aromatic units (pre- or postpolymerization functionalization). Here we disclose a facile and scalable one-pot synthetic method of converting an alkyl halide functionality to a sulfonate in polymer systems. With this method, sulfonated hydrocarbon PEMs can be conveniently prepared from a precursor polymer of anion exchange membranes which have recently experienced significant advances. Polyphenylene type PEMs (BPSA and mTPSA in this report) were generated in one-pot SN2 reaction of bromoalkyl side chains of polymers followed by oxidation. These PEMs showed excellent proton conductivity with BPSA showing 250 mS/cm in water at 80 °C, nearly 1.5 times higher than that of Nafion 212. Furthermore, the separation of the sulfonic acid group from the rigid backbone with a flexible alkyl chain mitigates excessive water uptake and in-plane swelling ratio of the polymer, despite having a high ion exchange capacity of 2.6 mequiv/g. Oxidative stability was also shown to be superior for hydrocarbon-based PEMs with negligible changes in mass, NMR, and proton conductivity.
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