材料顶级期刊Advanced Materials发表聚芳烃奎宁基阴离子交换膜研究论文

  碱性稳定性不足是限制阴离子交换膜（AEM）电解水制氢及燃料电池技术发展的痛点问题，湖北大学黎明课题组提出了N -甲基奎宁阳离子结构，所制备的聚芳烃奎宁AEM在高温高浓度碱性环境下稳定性高，完全不降解。相信本工作将促进阴离子交换膜电解水及燃料电池等新能源技术的发展。本工作以黎明教授为通讯作者发表于Advanced Materials上（影响因子29.1） （原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306675）.

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  与已报道的AEMs相比，聚芳烃奎宁基AEM具有碱性稳定性高(80℃，10 M NaOH水溶液，无化学分解，电导率不衰减)，高尺寸稳定性(80℃，在纯水中溶胀率< 10%，在10 M NaOH中溶胀率< 2%)，高OH^-电导率(80℃时~139.1 mS/cm)和高机械性能(抗拉强度:41.5 MPa，断裂伸长率50%)。用镍合金电极和AEM组装的水电解槽在2.0 V时具有高电流密度(1.94 A /cm²)。相信该工作将为阴离子交换膜电解水制氢、燃料电池等氢能技术的发展铺平道路。

  由于N-甲基奎宁阳离子β2-碳上没有氢原子，α3-碳与芳基之间的间距更长，以及- CH₂CH₂ -在N-甲基奎宁阳离子中的给电子作用，N-甲基奎宁阳离子的碱性稳定性比已有报道的N,N-二甲基派啶更高。实际上，密度泛函理论(DFT)计算表明，由于吉布斯自由能增加了9.57 kCal/mol, OH^-阴离子进攻阳离子得到中间配合物2。此外，模板化合物(二苯基N -甲基奎宁1)的吉布斯自由能非常接近其可能的降解化合物4，甚至低于化合物3和5。化合物6的吉布斯能低于模板化合物1，但降解反应的活化能很高(76.47 kCal/mol)，远高于已有报道的N,N-二甲基派定(15.23 kCal/mol)。以上计算表明，N-甲基奎宁比N,N-二甲基派啶更稳定(图1c)。

图1. (a)所报道的聚芳基派啶的基本结构;(b)本研究中聚芳基奎宁的结构;(c)模型化合物二苯基n -甲基奎宁在不同降解途径下的DFT计算;(d)聚对三苯基奎宁的分子结构和制备的AEM。