不可持续性化石能源不断消耗使当今世界面临严重污染和气候变化问题，为实现可持续发展，急需找一种可持续的、清洁的、高效的化石能源替代品。目前，燃料电池作为一种新型清洁能源装置在国内外受到广泛关注和研究。燃料电池汽车已广泛应用于汽车、便携式装置和固定式电站等领域。目前主要商业化的质子交换膜为美国杜邦公司的Nafion系列膜，其操作温度一般为80 °C以下, 性能突出稳定。然而，Nafion膜的应用也存在燃料透过率高及成本昂贵等问题，极大程度限制了Nafion 膜大规模商业化应用。

  为解决低温质子交换膜如Nafion膜面临的局限性问题，高温质子交换膜燃料电池（100~200 ℃）的发展得到了广泛关注。其应用具有很多优势：如提高的电极的催化反应动力学过程；防止催化剂中毒；简化燃料电池水、热管理系统等。目前研究较多的高温质子交换膜材料为聚苯并咪唑（PBI）聚合物，其掺杂磷酸后在高温无湿度条件下具有良好的质子传导性能。然而，传统的PBI由于分子链本身的刚性导致其溶解性差，且聚合物链段内磷酸的吸附位点有限，导致质子传导能力不足。因此，制备良好溶解性及高质子传导能力的PBI膜是迫切需要的。

图1 (a)二羧酸单体TB-COOH的合成路线; (b) TB基的PBI (TB-PBI-100、TB-PBI-75、TB-PBI-50、TB-PBI-25)和sPBI的合成路线; (c) TB基的PBI的质子转移机理。

  为了解决这一问题，中国科学院过程工程所庄永兵研究员等在Chemical engineering journal发表了名为“Soluble polybenzimidazoles incorporating Tro?ger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells”的文章，第一作者为中国科学院过程工程所博士生代俊明。研究人员首先制备了含有TB结构的新型羧酸单体，后以此为聚合物单体，制备了一系列含有TB结构的聚苯并咪唑（TB-PBI），并将其用于高温质子交换膜材料。对TB-PBI膜的基本性能（热稳定性、抗氧化稳定性、磷酸吸附能力、机械性能、电导率及燃料电池性能等）进行了详细的探究。由于TB结构引入，TB-PBI 显示出提高的溶解性。同时，TB-PBI中额外的氮原子为膜提供了更多的磷酸载体，形成更多的质子传输通道，质子传导能力改善明显，在160 °C下最高的质子电导率可达93.2 mS cm^{– 1}，远高于未引入TB结构的PBI膜。同时，组装的单电池性能（H₂/air）也表明引入TB结构可获得更高的功率密度。 

图2 TB基PBI的热稳定性及抗氧化稳定性。 

图3 TB基PBI膜的拉伸应力和膜断裂伸长率：(a)未掺杂PA；(b) 65wt%的PA溶液掺杂；(c) 75wt%的PA溶液中掺杂。

图4 TB基PBI膜的质子电导率：(a) 65wt%的PA溶液掺杂；(b) 75wt%的PA溶液中掺杂。

图5 TB基PBI膜燃料电池的极化和功率密度曲线 (H₂/Air)：(a) 65wt%的PA溶液掺杂；(b) 75wt%的PA溶液中掺杂； (c) TB-PBI-50和sPBI膜的单电池长期稳定性。

  相关链接：

  Dai, J.; Zhang, Y.; Gong, C.; Wan, Y.; Zhuang, Y. Soluble polybenzimidazoles incorporating Tr?ger’s base for high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Chemical Engineering Journal, 2023, 466, 143151. 

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143151