Enhanced Fuel Cell Performance with Robust Pyridinium-Derivative-Functionalized SBS Triblock Copolymer Anion-Exchange Membranes

材料科学 化学工程 聚丁二烯 共聚物 堆积 聚苯乙烯 燃料电池 端羟基聚丁二烯 离子交换 离子电导率 碱性燃料电池 离子键合 电导率 吡啶 高分子化学 耐久性 纳米孔 烷基 微型多孔材料 聚电解质 聚丙烯 质子交换膜燃料电池 离子 乙醚
作者
Beyadgalem Endawoke Anley,Yohannis Wondwosen Ahmed,Afandi Yusuf,Andy Lieman Candra,Andy Candra,Tsung-Yun Wu,Chun-Chiang Huang,Junsheng Wang,Darieo Thankachan,Shun-Hao Chuang,Yu Cheng,C.X. Wang,Hsieh-Chih Tsai
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (4): 6687-6700 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.5c06877
摘要

A series of polystyrene-block-polybutadiene-block-polystyrene (SBS) membranes functionalized with pyridinium derivatives (SBS-QA+py) were synthesized through free-radical chlorination of the polybutadiene segments using azobis(isobutyronitrile) (AIBN) as the free-radical initiator, promoting uniform chain growth. The resulting SBS-QA+py anion-exchange membranes (AEMs) were quaternized via a conventional solution-casting method. The membranes exhibited controlled ion-exchange capacities (IECs), water uptake (WU), and optimized interionic separation, achieving a balance between hydration, dimensional stability, and mechanical integrity. Noncovalent stacking interactions between the polystyrene and pyridinic segments significantly contributed to these properties. Notably, the SBS-Qdpy2 AEM achieved a peak ionic conductivity of 101.23 mS cm-1 at 80 °C (IEC: 1.72 mequiv g-1) and a peak power density of 398.14 mW cm-2 in a H2/O2 flow single cell at 80 °C, surpassing the performance of previously reported SBS-based AEMs. The membranes also demonstrated excellent chemical durability in 1 M NaOH solutions over 30 days, highlighting superior alkaline stability. These results underscore the critical role of optimized ion exchange and membrane morphology enhancing the fuel cell performance, positioning SBS-QA+py AEMs as promising candidates for next-generation fuel cells. Optimizing grafting, quaternization, and cross-linking will create stable AEMs with selective, well-defined nanoionic channels for efficient anion diffusion.
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