磷酸摻雜型聚合物電解質膜因其在高溫低濕/無水條件下表現(xiàn)出高的質子傳導率、良好的化學及熱力學穩(wěn)定性等優(yōu)點，被認為是最具有應用前景的高溫聚合物電解質膜（HT-PEM）。但這類膜的力學性能與質子傳遞性能之間存在trade-off效應，微觀相分離結構設計對性能調控的策略成功解決了低溫聚合物電解質膜的力學性能與質子傳導率之間的平衡問題，尚未應用于HT-PEM材料的設計與研究。北京航空航天大學仿生能源材料與器件北京市重點實驗室首次提出HT-PEM的微觀相分離結構設計理念，對HT-PEM的微觀相分離結構設計和性能調控進行了全面、系統(tǒng)的深入研究。相關的研究成果發(fā)表在2019年572和592卷的《Journal of Membrane Science》上以及2019年443卷的《Journal of Power Sources》上。 

　　該研究組通過傅克反應和原子轉移自由基聚合方法將錨定磷酸的含氮功能基團（如2,4,6-三(二甲氨基甲基)苯酚、乙烯基咪唑等）接枝到聚砜分子主鏈，獲得系列具有不同側鏈結構的聚合物高分子材料。研究結果表明側鏈結構有利于磷酸摻雜高溫質子交換膜微觀相分離結構的形成，側鏈結構上的含氮功能基團吸收磷酸后形成親水離子團簇，與憎水的主鏈形成微觀相分離區(qū)域，該區(qū)域一方面為質子的傳輸提供快速通道，另一方面由于磷酸在親水區(qū)的聚集降低了磷酸分子對高分子主鏈的塑化作用，使膜材料同時兼顧良好的力學性能和質子傳遞性能。此外，該組在上述研究的基礎上，繼續(xù)設計研制主鏈型微觀相分離聚聯(lián)苯哌啶膜材料，采用北京小角同步輻射裝置（SAXS）測得優(yōu)化的膜材料離子簇尺寸為2.58 nm，質子傳導率高達0.096 S cm^-1，同時拉伸強度達到12 MPa，實現(xiàn)了質子傳遞性能和力學性能的共贏。基于此類膜材料的高溫聚合物電解質膜燃料電池，在180 oC時最高輸出功率密度可達1.2 W cm^-2，并且在1600 h的測試時間內展示出了優(yōu)越的穩(wěn)定性，是一類非常具有應該前景的高溫聚合物電解質膜燃料電池關鍵材料。 

　　利用北京小角同步輻射裝置1W2A-小角散射實驗站開展的SAXS實驗獲得設計的微觀相分離結構膜（TDAP-PSU-X、P-g-V-x和PPT）的離子簇尺寸，研究發(fā)現(xiàn)所設計的膜兼顧力學性能與質子傳遞性能，為新一代HT-PEM結構設計與性能調控提供理論指導。 

　　發(fā)表文章： 

　　1.Jujia Zhang, Jin Zhang, Huijuan Bai, Qinglong Tan, Haining Wang, Baoshan He, Yan Xiang, Shanfu Lu. A new high temperature polymer electrolyte membrane based on trifunctional group grafted polysulfone for fuel cell application. Journal of Membrane Science 572 (2019), 496–503.

　　2.Huijuan Bai, Haining Wang, Jin Zhang, Jujia Zhang, Shanfu Lu, Yan Xiang. High temperature polymer electrolyte membrane achieved by grafting poly (1-vinylimidazole) on polysulfone for fuel cells application. Journal of Membrane Science 592 (2019) 117395. 

　　3.Huijuan Bai,a Hanqing Peng,b Yan Xiang,a Jin Zhang,a Haining Wang,a Shanfu Lu,* Lin Zhuang.** Poly(arylene piperidine)s w.ith phosphoric acid doping as high temperature polymer electrolyte membrane for durable, high-performance fuel cells. Journal of Power Sources 443 (2019) 227219.