磷酸摻雜型聚合物電解質(zhì)膜因其在高溫低濕/無水條件下表現(xiàn)出高的質(zhì)子傳導(dǎo)率、良好的化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具有應(yīng)用前景的高溫聚合物電解質(zhì)膜（HT-PEM）。但這類膜的力學(xué)性能與質(zhì)子傳遞性能之間存在trade-off效應(yīng)，微觀相分離結(jié)構(gòu)設(shè)計對性能調(diào)控的策略成功解決了低溫聚合物電解質(zhì)膜的力學(xué)性能與質(zhì)子傳導(dǎo)率之間的平衡問題，尚未應(yīng)用于HT-PEM材料的設(shè)計與研究。北京航空航天大學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計理念，對HT-PEM的微觀相分離結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能調(diào)控進(jìn)行了全面、系統(tǒng)的深入研究。相關(guān)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(yīng)和原子轉(zhuǎn)移自由基聚合方法將錨定磷酸的含氮功能基團(tuán)（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(cè)鏈結(jié)構(gòu)的聚合物高分子材料。研究結(jié)果表明側(cè)鏈結(jié)構(gòu)有利于磷酸摻雜高溫質(zhì)子交換膜微觀相分離結(jié)構(gòu)的形成，側(cè)鏈結(jié)構(gòu)上的含氮功能基團(tuán)吸收磷酸后形成親水離子團(tuán)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(zhì)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(xué)性能和質(zhì)子傳遞性能。此外，該組在上述研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)設(shè)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(zhì)子傳導(dǎo)率高達(dá)0.096 S cm^-1，同時拉伸強度達(dá)到12 MPa，實現(xiàn)了質(zhì)子傳遞性能和力學(xué)性能的共贏?；诖祟惸げ牧系母邷鼐酆衔镫娊赓|(zhì)膜燃料電池，在180 oC時最高輸出功率密度可達(dá)1.2 W cm^-2，并且在1600 h的測試時間內(nèi)展示出了優(yōu)越的穩(wěn)定性，是一類非常具有應(yīng)該前景的高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池關(guān)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(shè)計的微觀相分離結(jié)構(gòu)膜（TDAP-PSU-X、P-g-V-x和PPT）的離子簇尺寸，研究發(fā)現(xiàn)所設(shè)計的膜兼顧力學(xué)性能與質(zhì)子傳遞性能，為新一代HT-PEM結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能調(diào)控提供理論指導(dǎo)。 

　　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.