Polybenzimidazole Ultrathin Anion Exchange Membrane with Comb-Shape Amphiphilic Microphase Networks for a High-Performance Fuel Cell

材料科学 两亲性 膜 烷基 化学工程 侧链 阳离子聚合 极限抗拉强度 延伸率 离子交换 肿胀 的 聚合物 高分子化学 复合材料 有机化学 离子 共聚物 化学 生物化学 工程类
作者
Xiaozhou Wang,Jiannan Li,Wanting Chen,Bo Pang,Yong Liu,Yusong Guo,Xuemei Wu,Fujun Cui,Gaohong He
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (42): 49840-49849 被引量:42
标识
DOI:10.1021/acsami.1c12570
摘要

A comb-shape amphiphilic cationic side chain is proposed to well-balance the water sorption in anion exchange membranes (AEMs), in which the cationic group is in between of an ether-containing hydrophilic spacer and an alkyl hydrophobic spacer. By fully grafting the amphiphilic side chains onto polybenzimidazole (PBI), comb-shape amphiphilic microphase networks are well-developed in the AEMs, in which the alkyl hydrophobic network greatly restricts water swelling and the ether-containing hydrophilic network keeps the hydration of the cationic groups and enlarges the ion conductive channel. The as-prepared membranes achieve a high conductivity of about 91.2 mS cm-1, an extremely low swelling ratio of about 8.1% at 80 °C, and good mechanical properties at a hydrated state (tensile strength and elongation at a break of about 14.6 MPa and 77.5%, respectively). Benefits from the balanced water sorption in AEMs, the H2/O2 fuel cell with a 10 μm ultrathin membrane could withstand 80 °C and 0.1 MPa back pressure and achieve a high open circuit voltage of about 1.0 V and a high peak power density of about 631.5 mW cm-2. This work provides a new insight into the design of high-performance AEM.
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