Two-dimensional NMR spectroscopy reveals cation-triggered backbone degradation in polysulfone-based anion exchange membranes

聚砜 化学 氢氧化物 碱性水解 异核分子 部分 核磁共振波谱 离子交换 水解 聚合物 高分子化学 无机化学 有机化学 离子 生物化学
作者
Christopher G. Arges,Vijay Ramani
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:110 (7): 2490-2495 被引量:396
标识
DOI:10.1073/pnas.1217215110
摘要

Anion exchange membranes (AEMs) find widespread applications as an electrolyte and/or electrode binder in fuel cells, electrodialysis stacks, flow and metal-air batteries, and electrolyzers. AEMs exhibit poor stability in alkaline media; their degradation is induced by the hydroxide ion, a potent nucleophile. We have used 2D NMR techniques to investigate polymer backbone stability (as opposed to cation stability) of the AEM in alkaline media. We report the mechanism behind a peculiar, often-observed phenomenon, wherein a demonstrably stable polysulfone backbone degrades rapidly in alkaline solutions upon derivatization with alkaline stable fixed cation groups. Using COSY and heteronuclear multiple quantum correlation spectroscopy (2D NMR), we unequivocally demonstrate that the added cation group triggers degradation of the polymer backbone in alkaline via quaternary carbon hydrolysis and ether hydrolysis, leading to rapid failure. This finding challenges the existing perception that having a stable cation moiety is sufficient to yield a stable AEM and emphasizes the importance of the often ignored issue of backbone stability.
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