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为解决阴离子交换膜（AEMs）在燃料电池中需兼具高导电性与长周期耐碱性的问题，研究人员合成新型聚联苯吡啶哌啶（s-PBPP-n-TMA）膜。结果显示其电导率 > 95.63 mS/cm，在 2 M NaOH 中 1800 h 后残留电导率超 81.08%，单电池最大功率密度达 656.10 mW/cm2，为 AEMFCs 发展提供新方向。
在能源危机与环保需求双重驱动下，燃料电池作为高效清洁的能量转换装置备受关注。阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）因可使用非贵金属催化剂、燃料适应性广等优势，成为研究热点。然而，其核心部件阴离子交换膜（AEMs）面临两大关键挑战：一是在碱性环境下的长期化学稳定性，传统含醚键聚合物主链（如聚醚醚酮、聚苯醚等）易受 OH
?攻击发生断裂降解，导致膜性能衰减；二是离子传导效率，阳离子基团在聚合物主链上的分布与排列会影响离子通道形成，进而制约 OH
?传输速率。如何平衡 AEMs 的导电性与耐碱性，成为提升 AEMFCs 实际应用性能的核心瓶颈。
为攻克上述难题，北京化工大学的研究人员开展了一系列创新研究。他们基于 “远程侧链接枝” 策略，设计合成了一系列新型聚（联苯吡啶 - co-N - 甲基哌啶）侧链接枝阴离子交换膜（s-PBPP-n-TMA，n=2,3,6,8），通过引入热稳定性优异的吡啶单元与不同长度的柔性疏水烷基侧链，调控膜材料的微相分离结构与离子传输特性，旨在开发兼具高导电性与强耐碱性的新一代 AEMs，相关研究成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》。
研究人员主要采用以下关键技术方法：首先通过超酸（三氟甲磺酸）催化聚合反应，将联苯、N - 甲基 - 4 - 哌啶酮与 4 - 乙酰吡啶缩合，构建无醚主链 PBPM-80；然后利用季铵化反应，在吡啶与哌啶环的 N 原子上接枝不同碳链长度的烷基溴（如 1,2 - 二溴乙烷、1,6 - 二溴己烷等），并引入三甲基胺（TMA）形成季铵阳离子位点；通过 1H 核磁共振（1H NMR）对膜材料的化学结构进行表征；采用电化学工作站测试膜的离子电导率（σ(OH?)）；通过长期碱浸泡实验（2 M NaOH，80°C）评估膜的化学稳定性；利用单电池测试系统测定膜电极组件（MEA）的功率密度；结合密度泛函理论（DFT）计算分析烷基链长度对阳离子位点电子结构的影响。
膜材料的合成与结构表征
通过超酸催化缩聚反应成功制备了无醚主链 PBPM-80，进一步季铵化接枝不同长度烷基链后得到 s-PBPP-n-TMA 系列膜。1H NMR 谱图显示，PBPM-80 主链中吡啶环的甲基信号位于 2.48 ppm，苯环与吡啶环的质子信号分别在 7–8 ppm 和 8.3 ppm 处，证实了目标聚合物的成功合成。接枝烷基链后，新增的亚甲基（-CH?-）信号表明侧链成功引入，且不同 n 值对应的特征峰强度与链长呈正相关，验证了侧链长度的可控调节。
微相分离结构与离子传导性能
吡啶单元的引入增强了聚合物主链的疏水性，与季铵阳离子的亲水性形成显著差异，促使膜内形成明显的微相分离结构。透射电镜（TEM）观察显示，s-PBPP-n-TMA 膜中亲水离子簇（直径约 10–20 nm）均匀分散于疏水主链基质中，形成连续的离子传输通道。离子电导率测试表明，随着烷基链长度增加，电导率先升高后降低，其中 s-PBPP-6-TMA 在 80°C 时电导率达 95.63 mS/cm。这是因为适中长度的烷基链（n=6）既能使阳离子位点远离主链减少静电屏蔽，又避免过长链导致的链缠结阻碍离子迁移。
化学稳定性与耐碱性能
在 2 M NaOH、80°C 条件下进行 1800 h 长期碱稳定性测试，结果显示 s-PBPP-n-TMA 系列膜的残留电导率均高于 81.08%，显著优于未接枝侧链的 s-PBPP-80（残留电导率 65.2%）。机理分析表明，柔性烷基侧链通过空间位阻效应抑制了吡啶环被 OH?氧化为中性吡啶酮的反应，同时减少了哌啶环季铵盐的亲核攻击路径。DFT 计算进一步证实，接枝烷基链后，吡啶环 N 原子的电子云密度降低，活化能垒升高，从而提升了碱性环境下的化学稳定性。
单电池性能与实际应用评估
以 s-PBPP-6-TMA 为电解质膜组装的膜电极组件（MEA），在 80°C、H?/O?条件下实现了 656.10 mW/cm2 的最大功率密度，接近商业化质子交换膜燃料电池水平。电池极化曲线显示，该膜的欧姆阻抗与传质阻抗较低，表明其优异的离子传导能力与气体阻隔性能。循环稳定性测试中，连续运行 1000 h 后功率密度衰减仅 8.5%，凸显了其在实际燃料电池应用中的潜力。
研究通过将热稳定吡啶单元与柔性烷基侧链引入聚联苯哌啶主链，成功构建了具有显著微相分离结构的高性能 AEMs。实验与理论计算表明，侧链长度精准调控了膜的离子传导路径与化学稳定性，其中 s-PBPP-6-TMA 兼具高电导率（95.63 mS/cm）、强耐碱性（1800 h 后残留电导率 81.08%）与优异单电池性能（656.10 mW/cm2）。该工作为设计长寿命、高功率密度的 AEMFCs 提供了新策略，有望推动碱性燃料电池在交通、 stationary power 等领域的商业化进程。同时，远程侧链接枝技术为聚合物基功能膜材料的结构优化提供了普适性思路，可拓展至其他离子传导膜体系的开发。
