Highly conductive and dimensionally stable anion exchange membranes enabled by rigid poly(arylene alkylene) backbones

芳烯 侧链 化学 离子交换 高分子化学 电导率 化学稳定性 渗透 材料科学 化学工程 离子 有机化学 烷基 聚合物 物理化学 芳基 工程类 生物化学
作者
Tao Wang,Yu Zhao,Ruoxi Ma,Lijuan Li,Qianjun Ling,Xueliang Li,Yunsheng Ding,Haibing Wei
出处
期刊:Synthetic Metals [Elsevier BV]
卷期号:296: 117385-117385 被引量:11
标识
DOI:10.1016/j.synthmet.2023.117385
摘要

Dimensionally and chemically stable anion exchange membranes with excellent ion conductivity are highly desired in electrochemical energy conversion technologies. Herein, we present a design using rigid arylene units, i.e., p-tetraphenylene and p-terphenylene, to suppress the water sorption of quaternized poly(arylene alkylene) membranes with high ion contents. Of note, side chain double-quaternary ammonium (QA) functionalized poly(q-tetraphenylene-co-p-terphenylene alkylene) membrane P(4PA-co-3PA)-D100 with the IEC value as high as 2.93 mmol g−1 showed very limited water uptake and swelling at 80 °C of 75 wt% and 14 %, respectively. Meanwhile, the immiscibility of hydrophilic double-cation side chain and the hydrophobic poly(arylene alkylene) backbone drives the formation of phase-separated morphology. As a result, P(4PA-co-3PA)-D100 showed an exceptional conductivity of 227.8 mS cm−1 at 80 °C with activation energy of 10.5 kJ mol−1. Despite the rigid poly(arylene alkylene) backbone with highly chemical durability and oxidative stability, the tandem tethered double cation in the side chain showed a 11 % QA moiety loss after a 1000-h treatment in 2 M NaOH at 80 °C. Moreover, a good peak power density of 550 mW cm−2 at the current density of 1.06 A cm−2 was achieved for P(4PA-co-3PA)-D100 with the gases flow of 200 mL min−1. This work demonstrates that, in addition to the approach of cross-linking, the highly conductive AEMs with excellent dimensional stability can be achieved by improving the rigidity of polymer backbones.
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