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天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員，成功開(kāi)發(fā)出一種新型取向二茂鐵鹽陰離子交換膜。這種陰離子交換膜具有在膜的透過(guò)面方向取向排列的離子傳輸通道，提高了陰離子交換膜燃料電池的功率輸出。它還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、堿穩(wěn)定性和氧化還原穩(wěn)定性，可以在苛刻的電池運(yùn)行條件下長(zhǎng)期使用。該研究成果于2月14日發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·能源》上。
在陰離子交換膜燃料電池的實(shí)際應(yīng)用中，氫氧根離子穿過(guò)陰離子交換膜從陰極到陽(yáng)極。大多數(shù)陰離子交換膜表現(xiàn)出各向同性的陰離子電導(dǎo)率，甚至是不利的各向異性，即與面內(nèi)方向相比，透過(guò)面方向的電導(dǎo)率更低。采用相分離等常用策略往往無(wú)法有效解決該問(wèn)題，部分利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)定向增強(qiáng)陰離子導(dǎo)電性的研究也只取得了有限改善。
針對(duì)此問(wèn)題，該課題組使用磁場(chǎng)在順磁性二茂鐵鹽陰離子交換膜中構(gòu)建了透過(guò)面取向的傳輸通道。這一策略沿用了課題組最近在質(zhì)子交換膜領(lǐng)域取得的進(jìn)展，將同時(shí)具有磁響應(yīng)能力與離子傳導(dǎo)能力的材料拓展到了陰離子交換膜領(lǐng)域。高相對(duì)分子質(zhì)量主鏈化學(xué)惰性聚乙烯基二茂鐵通過(guò)配體交換可獲得烷基取代基效應(yīng)以提高其穩(wěn)定性。二茂鐵部分氧化(即離子化)后可使聚合物具有適當(dāng)?shù)碾x子交換容量，在導(dǎo)電性和尺寸穩(wěn)定性及機(jī)械強(qiáng)度之間實(shí)現(xiàn)平衡。
研究表明，構(gòu)造透過(guò)面取向的結(jié)構(gòu)和混合價(jià)態(tài)茂金屬化學(xué)結(jié)構(gòu)是優(yōu)化陰離子交換膜性能的一種有效方法，并有望超越傳統(tǒng)的相分離策略。磁場(chǎng)誘導(dǎo)的混合價(jià)態(tài)顯示出超常的堿和氧化還原穩(wěn)定性，這在正常條件下是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，為進(jìn)一步的材料創(chuàng)新提供了參考。
由于陰離子交換膜在燃料電池、二氧化碳和水電解方面可以通用，該研究工作中開(kāi)發(fā)的材料在可再生和清潔能源的多個(gè)領(lǐng)域都具有應(yīng)用前景。此外，在其他需要定向傳質(zhì)的領(lǐng)域，包括電池隔膜和反滲透膜，如果能構(gòu)建取向傳輸通道結(jié)構(gòu)，也有望獲得顯著的性能改善。
