研发在无湿度环境宽温域范围内均能高效运行的PEM成为现阶段迫在眉睫的难题。迄今为止，很少有能在无湿度环境宽温域范围运行的聚酰亚胺质子交换膜的研究报道。在这项工作中，研究团队基于朝格尔碱基（Tröger’s base (TB)）合成了自具微孔结构的共聚酰亚胺（co-PI），首次将聚酰亚胺用于宽温域范围运行的质子交换膜（PEMs）。将冠醚单元引入含朝格尔碱基的自具微孔聚酰亚胺主链，由于微孔的强大虹吸作用，以及冠醚和TB单元与磷酸（PA）和/或H₂O的酸碱相互作用，即使没有任何外部加湿器，磷酸掺杂的co-PI膜电极组件（MEA）可在无湿度的宽温域或低湿度（低于60%RH）低温（30−90°C）环境，氢气/空气条件下稳定运行。单电池性能方面，PI-TB-N30C在无水条件下，在80°C和160°C下分别获得了250和361 mW cm⁻²的最大功率密度。此外，PA掺杂的co-PI-MEA可以在低温或高温下实现120小时的长期稳定操作。此项研究为拓宽自具微孔聚酰亚胺材料的应用及制备适于宽温域范围运行的燃料电池质子交换膜提供了思路。

 
Fig 1. (a) PI 膜的 DMA 曲线，(b) PI 膜在氮气氛下的 TGA 曲线，(c) PI 膜的拉伸应力-应变曲线，以及 (d) PA 掺杂的拉伸应力-应变曲线PI膜。

 
Fig 2. (a) co-PI 粉末在 77 K 时的N₂吸附（填充）和解吸（空）等温线。(b) 微孔分布。(c) PA 掺杂 PI 膜的 XRD 曲线。(d) PA 掺杂前后膜内链间堆积变化的示意图。

 
Fig 3. (a–e) PA 掺杂 PI 膜的 P 2p 的 XPS 光谱。(f) PI 膜的 FT-IR 光谱。(g) PA 掺杂 PI 膜的 FT-IR 光谱。(h) PA 掺杂 PI 膜的³¹P SSNMR 光谱。(i) 胺基和 TB 基团中的氮原子、胺基中的氧原子和冠醚基团的净电荷。

 
Fig 4. (a) PA、H₂O 吸附容量和 ADL。(b) 尺寸稳定性和氧化稳定性。(c,d)在 PA 中浸泡 100 天前后的FT-IR 和 H¹-NMR 的差异。

 
Fig 5. 膜的质子传导率。(a) 宽温 (30–160℃) 依赖的PA 掺杂PEM的质子电导率，无需加湿。PI-TB-N40C 膜只能在高达 120℃ 的温度下进行测试，因为它在 140℃ 以上会溶解。(b) 质子电导率在 20% RH 下的 LT (30–90℃) 稳定性。(c) 质子电导率在60% RH 下的 LT (30–90℃) 稳定性。(d) 质子电导率在 100% RH 下的 LT (30–90℃) 稳定性。(e) 质子电导率在 20% RH 下的 LT (80℃) 稳定性。(f) 质子电导率在 60% RH 下的 LT (80℃) 稳定性。

 
Fig 6. 在 30、80 和 160℃ 下，基于 65 wt % PA 掺杂使用 H₂ /空气的燃料电池的极化和功率密度曲线，(a) PI-TB-N (110μm)，(b) PI -TB-N10C (105μm)、(c) PI-TB-N20C (103μm) 和 (d) PI-TB-N30C (109μm)。(e) HT (160℃) 在无水条件下的稳定性。
 
       相关研究工作由中国科学院过程工程研究所Yongbing Zhuang课题组于2023年在线发表在《Macromolecules》期刊上，原文：Finely Adjusted Intrinsically Microporous Copolyimide Electrolyte Membranes for Fuel Cells Operating in a Wide Temperature Range。

转自《石墨烯研究》公众号