氟化嵌段聚芳基哌啶阴离子交换膜实现高性能低温直接氨燃料电池

针对低温直接氨燃料电池(DAFCs)中氨渗透率高与离子电导率难以兼顾的难题，研究人员通过超酸催化一锅法聚合，开发了具有微相分离结构的氟化嵌段聚芳基哌啶阴离子交换膜(TP-x-5F-b)。优化后的TP-95-5F-b膜在80°C下展现177 mS cm?1的OH?电导率和3.17×10?7 cm2 s?1的低氨渗透率，组装的DAFCs在110°C实现525 mW cm?2的峰值功率密度，为清洁能源技术提供新方案。

　　

氨作为一种无碳燃料，在低温直接氨燃料电池(DAFCs)领域展现出巨大潜力，但其实际应用长期受限于阴离子交换膜(AEM)的高氨渗透率与低离子电导率矛盾。传统解决方案如交联或复合膜虽能抑制氨渗透，却牺牲了离子传输效率。这一"跷跷板效应"成为制约DAFCs发展的关键瓶颈。

为解决这一难题，中国科学院大连化学物理研究所的研究团队创新性地设计了一类氟化嵌段聚芳基哌啶阴离子交换膜(TP-x-5F-b)。通过超酸催化一锅法聚合策略，成功构建了具有明确微相分离结构的嵌段共聚物膜。原子力显微镜(AFM)表征显示，优化后的TP-95-5F-b膜形成了高度有序的亲水/疏水微区排列，这种独特的结构同时实现了177 mS cm^?1(80°C)的OH^?电导率和3.17×10^?7 cm² s^?1的氨渗透率。基于该膜组装的DAFCs在110°C工作温度下创造了525 mW cm^?2的峰值功率密度新纪录，相关成果发表于《Journal of Membrane Science》。

研究团队主要采用三项关键技术：1) 通过Friedel-Crafts反应调控pentafluorobenzaldehyde与N-methyl-4-piperidone比例，实现嵌段共聚物的一步合成；2) 利用¹H NMR和FT-IR进行分子结构验证；3) 结合电化学阻抗谱和气体渗透测试系统评估膜性能。

材料与合成
通过超酸催化多羟基烷基化反应，成功制备系列嵌段与无规共聚物AEM。核磁共振氢谱(¹H NMR)证实TP-x-5F-b的分子结构，氟化嵌段设计显著增强疏水链段聚集。

微相分离表征
AFM相图显示嵌段共聚物(TP-95-5F-b)形成20-30 nm的清晰离子簇网络，而无规共聚物呈现模糊相区。小角X射线散射(SAXS)进一步证实嵌段结构产生3.8 nm的Bragg间距，为离子传输提供连续通道。

电化学性能
TP-95-5F-b在80°C、95%湿度下离子电导率达177 mS cm^?1，是同类无规共聚物的2倍。Arrhenius曲线显示1.5×10^?2 eV的活化能，证实高效质子传输机制。

氨渗透与电池性能
气体渗透测试表明TP-95-5F-b氨渗透系数较商业膜降低2个数量级。单电池测试在0.5 V电压下实现36%的能量效率，连续运行100小时性能衰减<5%。

该研究突破性地证明，通过精确调控嵌段共聚物微相结构，可同时优化AEM的离子传导与阻隔性能。TP-95-5F-b膜创纪录的电池性能，为发展实用化低温DAFCs提供了材料基础。研究揭示的"氟化嵌段协同效应"——即氟原子增强疏水微区聚集而哌啶阳离子构建连续离子通道，为新一代燃料电池膜材料设计提供了普适性策略。团队开发的一锅法合成工艺兼具可放大性优势，有望推动清洁能源技术的产业化进程。