燃料電池（Fuel Cells, FC）是一種通過氧化還原反應直接將燃料和氧化劑的化學能轉換為電能的發電裝置，不受卡諾循環的限制，效率高，污染和噪音較小，且能量密度和功率密度高，成為新能源領域研究的熱點。聚苯并咪唑（PBI）的各種衍生物已被探索并被廣泛應用于制備高溫質子交換膜，將為FC帶來高的CO耐受性、簡化的水熱管理體系和更快的電極動力學等優點。但是，PBI在普通有機溶劑中溶解性差并且合成 PBI 的單體聯苯四胺有致癌性等問題，影響了PBI的廣泛應用。因此，開發低成本、高性能的高溫質子交換膜（HT-PEM），將極大地促進HT-PEMFC實現商業化。
楊景帥副教授課題組利用超強酸催化反應，以富電子芳烴和乙酰基吡啶為原料合成了高性能聚合物。引入的垂墜吡啶單元為吸附磷酸提供堿性位點，無醚鍵的剛性苯環結構保證聚合物的抗氧化性。基于磷酸摻雜PTAP膜組裝的燃料電池，在無背壓條件下的氫氧電池峰值能量密度為743 mW cm-2。同時以Sigma公司的藥品估算聚合物成本，PTAP的成本僅為PBI的一半。
圖1.聚合物PBAP和PTAP的合成過程
該團隊通過對聚合物理化性質的研究，發現PTAP 膜在 100 ℃浸入 85 wt% 磷酸溶液后具有 220% 的磷酸摻雜含量，在 180 ℃下的電導率高達 0.102 S cm-1。經過 450 h 的抗氧化性測試，PTAP 膜仍表現出 200% 的高磷酸摻雜含量和 0.086 S cm-1 的高電導率。TGA 結果表明，PTAP 和 PBAP 膜在480 ℃以下均表現出顯著的熱穩定性，適用于 HT-PEMFC。
圖2. (A) 1 H NMR譜；(B) FT-IR譜；(C) N 2氣氛中的 TGA 曲線，加熱速率為 10 ℃ min-1；(D) PTAP 和 PBAP 膜的抗氧化性曲線（68 ℃，3% H2O2 + 4 ppm Fe2+）
在前期工作基礎上（Journal of Membrane Science 641 (2022) 119884），將上述得到的聚合物PTAP組裝燃料電池，測試了電池性能和穩定性，探討了不同厚度的PTAP膜對電池性能的影響。結果顯示厚度為 88 μm的PTAP/220%PA 的電池在 120 ℃ 時的峰值功率密度為 350 mW cm-2，在 180 ℃ 時提升至 592 mW cm-2；厚度為 63 μm 的 PTAP/205%PA 膜在 180 ℃ 時的峰值功率密度為 743 mW cm-2。同時， PTAP/PA 膜具有高于 1.0 V 的高開路電壓 (OCV)，表明其透氣性較低。在160 ℃，電流密度為 200 mA cm-2 和 400 mA cm-2下的電池穩定性，結果表明基于 PTAP/205%PA 的電池在200 mA cm-2 下 100 h內和400 mA cm-2下60 h內均表現出良好的穩定性。同時，電池的OCV在所有關停-啟動循環測量期間保持在1.0 V左右，進一步證實了PTAP/205%PA膜的電池穩定性和優異的氣密性。因此，PTAP聚合物具有較好的電池性能，并且合成過程簡單，成本低，它不僅可以擴展HT-PEMFC的膜材料，還可以為其他能量轉換和存儲設備提供材料。
圖3. 厚度為 88 μm (A) 和 63 μm (B) 的 PA 摻雜 PTAP 膜的單電池性能；(C) 不同類型HT-PEM組裝的H2 -O2電池峰值功率密度比較
圖4. 160 °C時200 mA cm-2 和400 mA cm-2條件下的單電池性能啟停-壽命實驗：厚度為 63 μm 的 PTAP/205%PA膜
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231131
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