双季铵盐柔性十八烷交联聚(2,2’-(1,4-萘)-5,5’-联苯并咪唑)的合成及其在电化学器件中的高性能电解质应用

为解决酸掺杂聚合物电解质膜稳定性差、机械性能下降的问题，研究人员设计了一种含双季铵盐的柔性交联剂BQB，用于交联萘基聚苯并咪唑(NPBI)。所得NPBI/BQB-15%膜在266 wt.%磷酸(PA)掺杂下实现160°C无水质子电导率152 mS cm?1，机械强度达196 MPa，并成功应用于H2-O2燃料电池（峰值功率密度770 mW cm?2）和两性水电解池（2.0 V下电流密度865 mA cm?2），为多电化学器件提供高性能电解质解决方案。

　　

随着不可再生能源的枯竭和环境问题的加剧，太阳能、风能等可再生能源的利用成为全球焦点。然而，这些能源的间歇性特点使得储存和运输成为难题。氢能作为清洁能源载体，其高效转化与存储依赖于电化学器件如燃料电池和水电解池的核心部件——离子传导膜。传统聚苯并咪唑(PBI)类膜材料虽具有优异的热稳定性和机械性能，但酸掺杂后易发生塑化效应，导致机械强度下降和性能衰减。如何在不牺牲导电性的前提下提升膜的稳定性，成为该领域的关键挑战。

针对这一难题，中国东北大学的研究团队创新性地设计了一种含双季铵盐阳离子的柔性交联剂BQB，通过门舒特金反应交联萘基聚苯并咪唑(NPBI)，制备出NPBI/BQB-x系列膜材料。相关成果发表在《Journal of Membrane Science》上，为解决电化学器件电解质膜的性能瓶颈提供了新思路。

研究采用核磁共振(¹H NMR)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)验证交联结构，通过X射线衍射(XRD)分析结晶度变化，并利用X射线光电子能谱(XPS)检测元素组成。力学性能测试采用标准拉伸实验，质子电导率通过电化学阻抗谱测定。膜的实际应用性能分别在H₂-O₂燃料电池和两性水电解池中进行评估。

结构表征
通过¹H NMR证实BQB交联剂中-CH₂Br特征峰(3.55 ppm)消失，而季铵盐特征峰(3.15 ppm)出现，证明交联成功。FT-IR显示交联后咪唑环N-H伸缩振动峰(3400 cm^?1)减弱，表明季铵盐与咪唑氮形成共价键。XRD表明交联使聚合物自由体积增大，有利于酸分子渗透。

性能测试
交联度为15%的NPBI/BQB-15%膜展现出196 MPa的断裂应力，远高于未交联样品。在266 wt.% PA掺杂下，160°C无水质子电导率达152 mS cm^?1，归因于双季铵盐与H₂PO₄^?的强离子对作用。燃料电池测试显示峰值功率密度达770 mW cm^?2(180°C)，优于同类NPBI膜(625 mW cm^?2)。水电解池在2.0 V下获得865 mA cm^?2的电流密度(80°C)，证明其适用于宽pH环境。

耐久性评估
交联膜在160°C启停循环测试中保持稳定，归功于交联网络抑制酸泄漏和季铵盐对PA的锚定作用。室温两性水电解测试进一步验证其长期运行可靠性。

该研究通过分子设计实现了"刚柔并济"的交联策略：柔性十八烷链段提供自由体积容纳酸分子，刚性双季铵盐网络维持机械强度并固定酸分子。这种协同效应使NPBI/BQB膜同时具备高质子传导性(152 mS cm^?1)和优异机械性能(196 MPa)，突破了传统酸掺杂膜的性能极限。研究成果不仅为高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)提供了新型电解质材料，更通过"一膜多用"设计推动电化学器件的集成化发展，对降低可再生能源转换系统的制造成本具有重要意义。膜材料在燃料电池和水电解池中的双重应用表现，为构建氢能"制-储-用"闭环系统提供了关键技术支撑。