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如今，随着世界经济的快速发展，全球能源需求的不断增加和不可再生资源的巨大消耗已经带来了严重的能源危机！在这种背景下，开发新能源已经成为了人们亟待解决的问题，作为一种新兴的绿色和可持续的能源来源，质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其能量转换率高、发电无污染、无噪音等优势，有望成为可持续能源有前景的能源设备，近几年引起了极大关注。近年来，COF、MOF及HOF材料由于其框架可调，化学稳定性高及易于合成等优点表现出了优异的质子传导行为。然而，目前开发的基于COF的质子导体依赖于掺杂的质子载体或框架中的侧基，尽管掺杂简单有效，但使用效果并不理想。近日，发表在《JACS》上的文章《Imidazole-Linked Crystalline Two-Dimensional Polymer with Ultrahigh Proton-Conductivity》为质子交换膜燃料电池的发展提供了新的可能，研究人员设计合成了一种由苯并咪唑为主体的结晶二维聚合物BIP，这种聚合物所表现出的高质子传导率是迄今未掺杂多孔有机骨架从未达到的，这种聚合物是怎么合成的呢？如图2所示，研究人员以芘和溴为原料合成化合物1；又以化合物1和4-甲氧羰基苯硼酸合成物质2；物质2再经过反应得到单体3；最后使用单体3在多聚磷酸（PPA）的存在下与1,2,4,5-苯四胺四盐酸盐进行反应，合成苯并咪唑连接的二维聚合物BIP。研究人员对BIP材料的电导率值进行表征，结果如图4所示，BIP质子电导率随着温度和相对湿度的增加而增加，并在95℃和95％RH下表现出3.2×10-2 S cm-1的最高质子电导率，这是迄今为止报道的初始二维框架首次显示出的高质子传导性。同时，研究人员通过接触角测试证实了BIP的高亲水性，如图5所示，这清楚地表明了BIP的高吸水能力。材料的稳定性是影响质子交换膜在燃料电池中使用寿命的重要因素，对此，研究人员对进行了质子传导后的BIP进行表征，从图6和图7中的表征结果能够明显看出，质子传导过程对BIP材料的影响可忽略不计。图6. 循环质子电导率实验前后BIP的TEM图：实验前（左），试验后（右）图7. 质子电导率测量前后的BIP图谱：PXRD（左），TGA（右）在本篇文章中，研究人员提出了一种全新的多孔结晶苯并咪唑连接二维聚合物的方案，这种独特设计的长程有序二维框架，具有散布、非导电和功能质子区域，以促进质子传输，其在原始状态下表现出迄今报道的未掺杂有机骨架中最高的质子传导率。我们相信这项技术的应用在未来不仅能够极大地推动新的高性能结晶质子导体的开发，同时也为质子交换膜燃料电池的发展指引了新的方向！https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b06080
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来源：高分子科学前沿
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