通訊作者：Michael D. Guiver，尹燕通訊單位：天津大學(xué)
陰離子交換膜燃料電池（AEMFCs）作為能量轉(zhuǎn)換裝置正在被深入研究。其中，陰離子交換膜（AEMs）的設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)所需的AEMFCs功率輸出和性能穩(wěn)定性至關(guān)重要。離子從AEM的陰極到陽(yáng)極，因此陰離子交換膜（AEMs）中的透過面（TP）傳導(dǎo)路徑，可作為氫氧根離子在電極之間傳輸短而有效的路徑，能夠提高燃料電池功率輸出。
但當(dāng)前的AEM通常具有隨機(jī)分布且形狀不規(guī)則的導(dǎo)電域，這些域易于產(chǎn)生各向同性電導(dǎo)率。為了提高TP電導(dǎo)率，電場(chǎng)和磁場(chǎng)已被用于在AEM中創(chuàng)建面向TP的結(jié)構(gòu)，但性能提升幅度不大，能夠通過開發(fā)同時(shí)具有磁響應(yīng)性和具有陰離子導(dǎo)電能力的材料來規(guī)避。此外，堿穩(wěn)定性對(duì)AEM也至關(guān)重要。
鑒于此，天津大學(xué)Michael D. Guiver教授和尹燕副教授使用順磁性二茂鐵聚合物在磁場(chǎng)下制備TP取向的AEM。磁場(chǎng)誘導(dǎo)混合價(jià)態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)更高的陰離子解離和增強(qiáng)的堿/氧化還原穩(wěn)定性。
特別是，二茂鐵陽(yáng)離子磁響應(yīng)性和陰離子電導(dǎo)率的結(jié)合提升了TP電導(dǎo)率。具體來說，本文合成了一種具有化學(xué)惰性主鏈的高分子量聚（乙烯基二茂鐵）（PF），且PF上的配體交換激活烷基的取代基效應(yīng)以提高穩(wěn)定性，從而提供相應(yīng)的配體交換的PF（LPF）。在PF或LPF中，從二茂鐵到二茂鐵的部分氧化（即電離）使混合價(jià)態(tài)聚合物具有適當(dāng)?shù)碾x子交換容量（IEC），以平衡令人滿意的電導(dǎo)率和適當(dāng)?shù)娜苊?機(jī)械強(qiáng)度。部分電離的PF和LPF轉(zhuǎn)化為氫氧化物形式，分別表示為PF-OH和LPF-OH。磁場(chǎng)下的溶液澆鑄提供了TP取向的高導(dǎo)電 PF-OH和LPF-OH AEMs。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的AEM在95℃的水中顯示出160 mS cm-1 TP離子電導(dǎo)率，并且在95℃的堿性溶液中4320小時(shí)內(nèi)沒有明顯的離子電導(dǎo)率損失。由此組裝的燃料電池80℃和80%相對(duì)濕度的情況下實(shí)現(xiàn)737 mW cm-2的功率輸出，在500 mA cm-2，120℃和40%相對(duì)濕度的500小時(shí)下增加了3.9%的電壓損失和2.2%的高頻電阻的耐久性。
相關(guān)論文以“Magnetic-field-oriented mixed-valence-stabilized ferrocenium anion-exchange membranes for fuel cells”為題發(fā)表在Nature Energy。
Xin Liu, Na Xie, Jiandang Xue, Mengyuan Li, Chenyang Zheng, Junfeng Zhang, Yanzhou Qin, Yan Yin, Dario R. Dekel, Michael D. Guiver，Magnetic-field-oriented mixed-valence-stabilized ferrocenium anion-exchange membranes for fuel cells，2022，https://doi.org/10.1038/s41560-022-00978-y
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