Ionic Highways from Covalent Assembly in Highly Conducting and Stable Anion Exchange Membrane Fuel Cells

化学 离子键合 离子电导率 离子交换 离域电子 共价键 离子 阴极 电导率 化学工程 无机化学 燃料电池 电解质 电极 物理化学 有机化学 生物化学 工程类
作者
Yoonseob Kim,Yanming Wang,Arthur France‐Lanord,Yichong Wang,You-Chi Mason Wu,Sibo Lin,Yifan Li,Jeffrey C. Grossman,Timothy M. Swager
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (45): 18152-18159 被引量:134
标识
DOI:10.1021/jacs.9b08749
摘要

A major challenge in the development of anion exchange membranes for fuel cells is the design and synthesis of highly stable (chemically and mechanically) conducting membranes. Membranes that can endure highly alkaline environments while rapidly transporting hydroxides are desired. Herein, we present a design using cross-linked polymer membranes containing ionic highways along charge-delocalized pyrazolium cations and homoconjugated triptycenes. These ionic highway membranes show improved performance. Specifically, a conductivity of 111.6 mS cm-1 at 80 °C was obtained with a low 7.9% water uptake and 0.91 mmol g-1 ion exchange capacity. In contrast to existing materials, ionic highways produce higher conductivities at reduced hydration and ionic exchange capacities. The membranes retain more than 75% of their initial conductivity after 30 days of an alkaline stability test. The formation of ionic highways for ion transport is confirmed by density functional theory and Monte Carlo studies. A single cell with platinum metal catalysts at 80 °C showed a high peak density of 0.73 W cm-2 (0.45 W cm-2 from a silver-based cathode) and stable performance throughout 400 h tests.
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