Constructing High-Density Hydrogen Bonding Networks via Introducing the Bipyridine Group for High-Performance Fuel Cell Proton Exchange Membranes

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作者
Aogui Wu,Jianfa Liu,Jinzhen Huang,Yu Min,Yitong Wang,Shichao Wang,Lei Wang
出处
期刊:ACS applied energy materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (9): 11815-11824 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsaem.2c02346
摘要

Constructing high-density hydrogen bonding networks is crucial to improve the proton conductivity of proton exchange membranes (PEMs) and the single-cell output power of high-temperature fuel cells (HTFCs). In this work, a series of benzimidazole polymers containing a pyridine group in the backbone are successfully synthesized via copolymerization. The high-density hydrogen network is constructed via blending the polyether polybenzimidazole (OPBI) with the bipyridine polybenzimidazole copolymer, and the 1,3,5-triglycidyl isocyanurate that contains nitrogen atoms and hydroxyl groups is used as a cross-linking agent. As a result, the proton conductivity and the output power density of the single cell are significantly enhanced by the high-density hydrogen bonding network. The single-cell performance of 693 mW cm–2 is achieved in the cross-linked OPBI/copolymer blend membranes containing pyridine group under a saturated phosphoric acid (PA) adsorption (284%). Even under the low PA uptake (178%), the proton conductivity (0.050 S cm–1) is 2.1 times that of the OPBI membrane (0.024 S cm–1), and the output power density of the single-cell performance (501 mW cm–2) is 1.4 times that of the OPBI membrane (358 mW cm–2). The results demonstrate that introducing nitrogen sites into polybenzimidazole cross-linked membranes is an effective strategy for preparing high-performance fuel cell PEMs.
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