【背景介绍】
氢能作为一种高效且环保的能源载体，在推动低碳排放方面发挥着关键作用。特别是在燃料电池技术中，阴离子交换膜燃料电池（AEMFCs）被视为比传统的质子交换膜燃料电池（PEMFCs）更具成本效益和可扩展性的选择。AEMFCs能够在碱性条件下使用非贵重金属催化剂，并依赖于较廉价的碳氢基膜和离子体，提供了一种经济可行的解决方案。然而，AEMFCs仍然面临一些技术挑战，特别是在功率密度和耐用性方面。阴离子交换膜（AEMs）是其核心组件之一，它们的性能直接影响到整个燃料电池系统的效率。AEMs在AEMFCs中起到分隔阳极和阴极室的作用，并促进氢氧根离子（OH−）的传递。然而，AEMs面临的主要问题是它们的OH−导电性较低，这是由于氢氧根离子迁移率较低和季铵盐的部分电离。
为了解决这些限制，通过设计聚合物分子架构来增强其离子导电性，例如采用离子簇单元接枝、梳状或侧链架构和嵌段共聚物。这些设计的目的是通过增加离子交换容量（IEC）来提高OH−导电性，尽管这也可能导致更高的吸水性和膨胀，可能损害AEMs的机械完整性。另一方面，碱性环境下的阳离子基团和聚合物主链的稳定性问题，尤其是传统季铵盐（QAs）的降解，导致了对耐碱阳离子基团的开发。为了增强AEMs的抵抗力，科学家们设计了许多空间位阻大的耐碱阳离子基团，如咪唑和N-环季铵阳离子。这些阳离子展示出在高碱性条件下的优异稳定性，但是它们在聚合物基质中的低离子导电性和差的成膜能力仍是挑战。
此外，碱性环境中AEMs的稳定性还受到聚合物主链的化学稳定性的影响。最近的研究关注于使用无芳醚聚合物作为主链，这些聚合物展示出卓越的碱性稳定性。例如，聚（氟烯基-芳基哌啶）在高碱性条件下保持了高的OH−导电性和良好的耐用性。在实现更高的碱性稳定性和机械强度方面，科学家们探索了将阳离子基团通过柔性间隔基引入到聚合物主链中，形成侧链结构，从而创建纳米尺度的离子传导通道。作者的研究小组通过使用点击化学将阳离子基团连接到聚合物主链上，显著增强了AEMs的离子导电性和耐碱稳定性。
因此，考虑到无芳醚聚合物的卓越机械性能和化学稳定性，以及促进N-环QAs中有效环应变放松，该研究将ASU和DMP接枝到聚苯基主链上，通过三唑制备高稳定性AEMs。首先，作者使用甲基取代的苯基和联苯前体，通过超强酸催化的聚合反应合成刚性疏水联苯基（BP）共聚物主链。通过经典的溴化和叠氮化反应，在BP共聚物的甲基上引入叠氮基团，然后通过Cu AAC反应将这些叠氮功能化的BP共聚物与烷基取代的ASU或DMP阳离子共轭，合成N-环QA基侧链AEMs。随后，对AEMs进行了全面分析，重点关注吸水性、离子导电性、微观结构和碱性耐久性，这些进一步与聚合物主链的内在特性相关联。最后，系统评估和讨论了采用ASU或DMP阳离子的聚苯基AEMs的单碱性H2/O2燃料电池性能。
【成果简介】
选择合适的聚合物主链对于发展具有高离子导电性和强大化学稳定性的阴离子交换膜（AEMs）至关重要。在该研究中，作者合成了刚性且化学惰性的无芳醚聚苯基聚合物主链，含有耐碱的N-环阳离子，即二甲基哌啶（DMP）或6-氮杂螺[5.5]十一烷（ASU），作为高性能AEMs。该过程包括几个关键步骤：超强酸催化的Friedel-Crafts聚合、溴甲基化、叠氮化和Cu(I)介导的叠氮-炔烃环加成。合成的BP-ASU(DMP)-x共聚物展示了出色的成膜能力，与聚烯烃基对应物相比，能够提供坚固的AEMs。由于疏水主链和亲水阳离子之间的显著不兼容性，BP-ASU(DMP)-x膜展现了明确的微观相分离形态，从而实现了极高的氢氧根导电性，最高可达157.2 mS cm−1（80℃水）。更重要的是，BP-ASU-150膜在80℃下浸泡在1 M NaOH溶液中4000小时后，没有化学降解，导电性保持>97%。与聚(2,6-二甲基-1,4-苯酚)氧化物（PPO）和聚烯烃基对应物相比，所达到的卓越碱性稳定性与无芳醚聚苯基和耐碱N-环阳离子有关，突出了聚合物主链对AEM材料的重要性。最后，所有含N-环阳离子的聚苯基AEMs被组装在单H2/O2 AEMFCs中，BP-ASU-150膜在电流密度为1363 mA cm−2时展示了峰值功率密度（PPD）860.4 mW cm−2。作者得出结论，由于聚苯基聚合物的卓越稳定性和坚固性，BP-ASU(DMP) AEMs在各种指标上展示了优越的性能，突出了它们作为高性能AEM材料主链的潜力。
【图文导读】
合成路线和化学结构分析
方案1。BP-DMP-x和BP-ASU-x共聚物合成路线描述。
方案1说明了结合N-环QA阳离子的阴离子交换膜的合成路径。根据先前的报告，2,2′-二甲基联苯、联苯和1,1,1-三氟乙酮最初用于通过高效的超强酸催化Friedel-Crafts聚合合成无芳醚聚合物主链的BP共聚物。通过经典的溴化反应在聚合物主链上的甲基基团上进行溴化，得到BP-Br共聚物，然后通过与叠氮钠的亲核取代反应转化为烷基叠氮基团，得到BP-N3共聚物。最终的季铵化共聚物通过桥接末端炔烃功能化的N-环QA阳离子（EDMP和EASU）和叠氮功能化的聚合物（BP–N3）之间的Cu(I)催化Cu AAC反应制备。通过在第二个实验步骤中操纵溴化试剂的量，可以调节功能化共聚物中溴和叠氮基团的功能化程度（DF），从而得到具有不同离子交换容量（IECs）的AEMs。
图2。(a) BP、(b) BP- Br -150和(c) BP- Br -N3-150聚合物在CDCl3中的H NMR谱曲线
合成的BP共聚物在大多数极性溶剂中表现出显著的溶解性，并具有高分子量，由Ubbelohde粘度计测量的固有粘度为3.68 dL g−1，GPC测定的Mn为135,000 g mol−1。BP和BP-Br共聚物的分子结构通过1H NMR光谱验证（图2a和b），BP-Br共聚物的DF值可以通过H4′和H4的积分比率确定。在本研究中，溴烷基化的DF值发现为85%、100%和150%，分别表示为BP-Br-85、BP-Br-100和BP-Br-150。如图2c所示，信号峰从4.06移动到4.25 ppm（H4′）归因于–CH2-Br中的质子，到3.96–4.06 ppm（H4″）归因于–CH2-N3中的质子，表明叠氮功能化反应中的完全取代。根据作者之前建立的实验协议，作者合成了两种N-环QA阳离子（EDMP和EASU）变体，它们是进行Cu AAC点击化学反应所必需的。此外，可以通过BP-N3和EASU或EDMP之间的Cu AAC反应合成BP-ASU-x和BP-DMP-x共聚物（其中x代表DF），其中ASU或DMP的N-环QA阳离子作为侧链沿无芳醚聚苯基聚合物主链固定。
图3。(a)BP-ASU-150和BP-DMP-150在DMSO – d6中的氢核磁共振谱;(b) 两个膜码照片在碘离子或溴离子中不同状态下形成（干燥或湿润）
如图3a所示，通过NMR光谱明确描绘了所得季铵化共聚物的分子架构，证实了成功合成。1,2,3-三唑基团中甲亚甲基质子的独特共振在7.9 ppm处观察到，对应于BP-ASU和BP-DMP，而BP-N3共聚物中的亚甲基质子（H4″）最初在4.06 ppm处，CuAAC反应后化学位移至约5.30 ppm（H4‴），表明叠氮功能团100%转化为1,2,3-三唑结构。此外，分别在约2.9 ppm（Hb）处的三级质子和在3.47（Hj）、3.70（Hd）、3.09–3.16（Hi）和1.54–1.80（Hf, c, h）ppm处的DMP和ASU阳离子单元的初级质子的共振出现，分别表明N-环QAs基团沿BP主链的成功结合。BP-ASU-x和BP-DMP-x共聚物的聚合物NMR光谱，DF不同（85%和100%）。因此，基于它们的DF值，这些膜的IECtheo值确定为1.17至1.84 meq⋅g−1。所有合成的季铵化聚苯基聚合物在大多数极性溶剂如NMP、DMF、DMSO或DMAC中表现出显著的溶解性。因此，使用热诱导流延成型方法从7 wt% NMP中的聚合物溶液中创建透明且柔韧的AEMs，溶剂在80℃下蒸发24小时，然后通过在1 M NaOH或NaHCO₃中浸泡48小时将离子交换为OH−或HCO₃−。
膜形态
图4。BP-ASU-150膜（a, b）和BP-DMP-150膜（c, d）的表面和截面的SEM图像。
通过SEM分析说明了BP-ASU和BP-DMP膜的表面和横截面形态，如图4所示。两种膜都展现出光滑且致密的表面和横截面，没有任何通孔，表明AEMs在实际燃料电池应用中有效地防止了气体交叉扩散。此外，横截面图像显示AEMs的均匀厚度约为25 μm。同时，所制备的膜在干燥和湿润条件下都展现出结构完整性和紧凑性，没有观察到任何裂纹（图3b）。与基于聚烯烃的膜如PS-ASU (DMP) 或PBFB-(ASU) DMP 不同，具有聚苯基主链的AEMs展现出优越的成膜能力和增强的柔韧性。
图5所示。(a) BP-ASU-150和BP-DMP-150 AEMs的SAXS模式（干燥状态）。(b) BP-DMP-150, (c) BP-ASU-150在攻丝模式下的AFM相位数码照片。
增强离子导电性和创建离子传输通道的关键策略是调整AEMs的分子架构，这影响了膜内部的微观相分离。因此，作者使用小角X射线散射（SAXS）分析来阐明干燥状态下所准备膜的微观相分离形态。根据SAXS分析（图5a），BP-DMP-150 AEM展现出明确的微观相分离结构，而BP-ASU-150 AEM没有明显的离子omer峰，表明离子簇域之间的距离减少。BP-DMP-150 AEM的广泛离子omer峰在q值为1.36 nm−1处找到，长程有序的亲水域的d间距计算为4.62 nm（使用布拉格方程d = 2π/q）大于PPO-DMP-40（d = 4.2 nm）。这些结果表明，BP-DMP AEMs中的聚合物和离子基团的分布更加规则有序，ASU阳离子的更强亲水性阻碍了这些阳离子在BP-ASU-150膜中有效组装和聚集，这与Jannasch团队之前的发现一致，他们的AEMs与作者的具有类似的分子结构。
为了更直观地表征所准备AEMs中自组装形态学信息，作者使用敲击模式AFM分析BP-DMP-150和BP-ASU-150膜。图5b和c清楚地显示了AEMs的AFM相位图像中定义良好的微观相分离形态。较亮区域表示由聚合物主链形成的疏水微域，而较暗区域表示由离子基团组成的亲水离子微域。BP-DMP-150 AEM展现出更广泛的亲水域，而BP-ASU-150具有较小的、相互连接的蠕虫状亲水通道，证实了SAXS发现。因此，可以推断出刚性、芳香族无醚主链的固有疏水性增强了与亲水侧链和空间位阻N-环QA阳离子基团之间的极性差异，从而使AEM的微观相分离形态更加明显，这与其他已发表作品一致。
热稳定性和机械性能
图6。BP-ASU-x和BP-DMP-x膜在氮气气氛下的TGA (a)和导数热图(b)分析。
由于燃料电池通常在超过60℃的温度下运行，因此膜材料需要展现出卓越的热稳定性。使用热重分析仪评估合成膜的热稳定性，通过在氮气氛围中将样品从100℃加热到800℃，速率为每分钟10℃。图6中记录了BP-ASU-x和BP-DMP-x膜的TGA和导热重分析（DTG）曲线。随着温度的升高，所有样品表现出相似的三相降解模式。观察到的100至250℃之间的质量损失主要是由于膜中残留的水或溶剂的蒸发。随后的分解在超过250℃时开始，在800℃时导致显著的重量损失，范围在50%至62%之间。图6b中的DTG曲线更清晰地阐明了两种膜材料的热降解特性：DMP或ASU N-环QA阳离子在300至350℃之间开始热分解，而聚合物基质在520–540℃的温度范围内开始其降解。DTG峰强度在膜之间有所不同，反映了N-环QA阳离子和聚合物主链的不同降解程度，这与N-环QA阳离子的接枝比例一致。此外，差示扫描量热法（DSC）测量表明，BP-ASU-x膜的玻璃化转变温度（Tg）超过325℃，而BP-DMP-x膜超过245℃。总之，BP-ASU-x和BP-DMP-x膜展现出卓越的热稳定性，满足燃料电池应用的操作标准。
在燃料电池的组装和运行阶段，它们会经历不同程度的压缩，因此机械性能对于设备的长期运行稳定性至关重要。在室温下评估了以BP为特征的干AEMs的机械性能，这些AEMs在其OH−形式下，如图1所示。这些膜材料的拉伸强度范围在28.0至63.2 MPa之间，断裂伸长率在1.95%至6.6%之间。随着AEMs中N-环QA阳离子含量的增加，拉伸强度和断裂伸长率都有所下降，因为增加的离子基团增大了分子链的单位体积，并可能削弱聚合物主链之间的相互作用。所有BP-ASU-x和BP-DMP-x膜的拉伸强度满足AEMFCs应用的基本标准，表明聚苯基聚合物作为阴离子交换膜骨架的优越性。
膜的基本物理特性
图7。bp基膜的吸水率和溶胀率与(a) IEC和（b, c）温度的关系。
除了出色的机械性能和热稳定性外，AEMs还必须满足AEMFCs所需的特定物理化学标准，如离子交换容量（IEC）、水吸收、λ值（水合数）、膨胀比以及特别是离子导电性。为此，作者比较分析了膜在20℃时的物理属性，结果列于表2中。通过传统反滴定获得的实验IEC值与NMR分析得出的值非常接近。AEMs的固有水吸收至关重要，因为水作为AEMFCs阴极过程中的反应物，并帮助通过在膜内携带电荷来传输离子。在两个系列的AEMs中，随着IEC值的增加，膜的水吸收增加，因为结合了更多的亲水基团，如ASU或DMP在聚合物主链中。例如，以ASU N-环QA阳离子为特征的BP-ASU-x膜的水吸收在43.9%至121.6%之间，λ值范围为20.8至39.5，IEC值从1.17增加到1.71 mmol g−1，明显高于含有DMP基团的BP-DMP-x膜（水吸收：25.8–98.1%；λ：11.7–29.6），尽管它们的IEC值更高。这一结果与PPO-ASU (DMP)-x膜的行为一致，主要由于ASU的增强亲水性质。
为了更好地了解功能化水平如何影响水吸收和膨胀比，作者检查了这些属性与所有膜的IEC变化之间的关系，如图7a所示。尽管具有较低的IEC值，基于BP的膜比基于聚烯烃的（PBFB和PS）AEMs展现出更好的水吸收。然而，在PPO基AEMs中，主链骨架中的芳醚键导致比不含此类键的BP基AEMs更高的水吸收，并且在具有部分芳醚段的AEMs中观察到类似的结果。AEMs的膨胀比根据IEC变化，反映了与水吸收相同的模式。此外，作者检查了合成AEMs在20–80℃温度范围内的水吸收和膨胀比的变化，如图7b和c所示。包含N-环QA阳离子的BP主链的AEMs的水吸收和膨胀比随着温度的升高而保持相对稳定，表现出与含N-环QA阳离子的PPO基AEMs相似的行为。例如，在80℃时，BP-DMP-150展现出107.6%的水吸收和25.2%的膨胀比，仅比20℃时观察到的值略高（水吸收98.1%和膨胀比22.1%）。
然而，具有N-环QA阳离子和无芳醚聚烯烃主链的AEMs的主要问题是它们形成膜和保持尺寸稳定性的能力。其中一类，如PS-ASU (MDP)，表现出固有的差成膜特性，需要与SEBS混合才能使用。另一类，由PBFB-ASU (DMP)代表，能够形成膜；然而，这些膜在高温下倾向于软化，使它们不适合高温测试和膜电极组装。为了增强PBFB-ASU (DMP)膜的尺寸稳定性和机械性能，将它们与聚苯并咪唑（NPBI）混合以创建复合膜以进行进一步测试。因此，基于聚苯基聚合物主链和N-环QA阳离子的AEMs不仅展现出卓越的成膜特性，还展现出出色的水吸收和尺寸稳定性。这些特性使膜能够有效防止过度水膨胀，特别是在高温下，为设计含N-环QA阳离子的侧链型AEMs的主链提供了宝贵的参考。
离子导电性（σ）和表观活化能（Ea）
图8。(a)BP基膜的氢氧根离子电导率随温度的变化；(b)膜样品的Arrhenius曲线；(c) OH比较具有环状QAs的侧链型AEMs电导率随IEC的变化。
离子导电性是评估膜内离子传输效率的关键参数，显著影响AEMFCs中的传质阻力和输出性能。在完全水合条件下，使用超纯水在20℃下评估合成膜的平面内离子导电性，如表2所示。BP-ASU (DMP)-x膜展现出卓越的OH−离子导电性，范围在20℃时为29.1至88.7 mS cm−1，与BP-DMP-x膜相比，BP-ASU-x膜实现了最高的OH−导电性，这归因于它们更高的水吸收。所有获得的膜的OH−导电性随着IEC值的增加而增加，因为BP主链上有更多的离子位点。值得注意的是，BP-ASU-150和BP-DMP-150展现出最高的OH−导电性，分别为20℃时的88.7和68.1 mS cm−1，对应的IEC值为1.84和1.71 mmol g⁻1。假设的明显微观相分离和增加的水吸收被认为有助于观察到的BP基AEMs中含N-环QA阳离子的高氢氧根离子导电性。考虑到氢氧根离子对大气二氧化碳的敏感性，作者还评估了膜的HCO3 −导电性，并观察到与OH−导电性一致的趋势，如表2所示，其中BP-ASU-150和BP-DMP-150显示出最高的HCO3 −导电性，分别为55.1和51.2 mS cm−1。此外，水接触角与AEMs的表面亲水性相关，这反过来影响它们的OH−导电性。水接触角与AEMs的表面亲水性相关，影响它们的OH−导电性。在测试样品中，BP-ASU-150展现出最小的接触角75.81°，表明表面亲水性高。这一发现与观察到的水吸收和氢氧根离子导电性数据一致。
随后，作者检查了所有膜在20–80℃范围内的OH−和HCO3 −的温度依赖性导电性，间隔为20℃。随着温度的升高，膜中的离子通量增强，水吸收增加，建立了离子（OH−或HCO3 −）导电性与温度之间的正相关，如图8a。例如，在20℃时，BP-ASU-150膜展现出88.7 mS cm−1的OH−导电性，当温度升高至80℃时，其导电性翻倍至157.2 mS cm−1。同样，在80℃时，HCO3 −导电性也达到94.7 mS cm−1，比20℃时测量的55.1 mS cm−1高出1.72倍。此外，通过绘制lnσ与T−1的Arrhenius类趋势，提供了BP-ASU(DMP)-x膜OH−导电性质的更详细见解（图8b）。BP-ASU-150和BP-DMP-150膜的表观活化能（Ea）分别为8.15和10.35 kJ mol−1，与AEMs的10–20 kJ mol−1相当或更低，表明离子迁移能量较低，离子迁移倾向较高，与OH−导电性趋势一致。尽管IEC值较低，基于N-环QA阳离子和聚苯基骨架的AEMs，特别是BP-ASU-x膜，在其他报道的含不同聚合物主链的侧链型N-环QA阳离子基AEMs中展现出异常高的OH−导电性，如图8c所示。例如，IEC值较低（1.71 mmol g−1）的BP-ASU-150膜的离子导电性为88.7 mS cm−1，是IEC值为1.87 mmol g−1的PPO-ASU-40膜（40.6 mS cm−1）的2.2倍，两者之间的唯一区别是骨架材料。观察到的结果可以归因于BP-ASU (DMP)-x AEM中的微观相分离形态，这通过SAXS和AFM分析得到证实，这对建立有效的离子传导通道至关重要，从而导致高氢氧根导电性和低IEC值。这进一步证明了疏水和刚性的聚苯基主链不仅确保了膜的卓越成膜特性和尺寸稳定性，而且增强了主链与亲水N-环QA阳离子之间的极性差异，从而形成离子簇，显著提高了离子导电性。
碱性稳定性
图9。（a) BP-ASU-150、BP-DMP-150、b - pbbf - asu、PPO-ASU-30和SEBS/PS-ASU-30在1 M NaOH中，80℃下的碱性稳定性;（b）BP-ASU-150膜浸泡在1m NaOH中，温度80C加热4000小时后的核磁共振氢谱。
开发AEMFCs用AEM材料的主要挑战在于它们在严酷碱性条件下的化学稳定性不足，这直接影响设备的长期运行寿命。AEM的碱性稳定性取决于多个因素，包括阳离子和主链结构以及它们之间的间距。为了评估创建耐碱聚苯基AEM的可行性，作者检查了BP-ASU-150和BP-DMP-150膜在80℃下1 M NaOH中的碱性稳定性，跟踪它们随时间的导电性变化。如图9a所示，BP-ASU-150膜在4000小时储存后保持了其初始导电性的97%以上，而BP-DMP-150在3100小时测试后导电性降低了不到5%。与具有相同N-环QA阳离子的聚烯烃主链和PPO主链衍生的AEMs相比，基于聚苯基的AEMs展现出卓越的耐碱稳定性。在长期高温和碱性环境下暴露时，基于PPO的膜材料可能会破裂，而基于聚烯烃的AMEs倾向于软化并失去可测试性，需要结合其他聚合物材料以提高机械强度。相比之下，基于聚苯基的AEMs在长期耐碱测试后展现出出色的机械和尺寸稳定性，这由图9a中老化膜的照片证实。这一发现强调了将无芳醚和刚性的聚苯基聚合物主链与N-环QA阳离子结合的好处。
此外，作者对经过碱性稳定性评估的老化膜进行了1H NMR光谱分析，并与原始膜进行了比较，以分析它们的结构变化。图9b展示了BP-ASU-150
膜在80℃下1 M NaOH中浸泡4000小时前后的1H NMR光谱。正如预期的那样，BP-ASU-150膜即使在4000小时的测试后也没有显示出任何化学降解的迹象，展现出AEMs的卓越增强碱性抵抗力稳定性。尽管在超过3000小时的测试后几乎保持了恒定的导电性，但BP-DMP-150膜在其NMR光谱中展现出新的共振峰在~1.74 ppm，以及在~3.48 ppm和~2.93 ppm处的信号强度降低。这些发现表明，基于侧链的聚苯基AEMs通过α-甲基取代的SN2机制降解。这表明ASU阳离子与DMP阳离子相比，展现出对亲核攻击的优越稳定性，证实了Marino和Kreuer的发现。这些分析证实了作者的假设，即耐碱和无芳醚聚苯基聚合物主链与侧链耐碱DMP和ASU阳离子的结合，产生了最稳定的AEM材料。
单H2/O2 AEMFC性能
图9。(a) BP-ASU-x和BP-DMP-x膜对aemfc的PPD和极化曲线，(b)其对应的HFR值。条件：电池温度= 60℃，流量= 1L min-1, 阴极湿度= 100% RH，无背压；(c)比较其他最先进的n环QA阳离子的PPD具有不同主干的AEM作为IEC的函数
由于制造的BP-ASU-x和BP-DMP-x膜的有利性能，作者将它们集成到单H2/O2燃料电池中进行初始性能评估，确认它们的实际可行性。为了准备气体扩散电极（GDEs），使用自制的5 wt% PFTP-13粘合剂溶液和Pt/C催化剂制作催化剂墨水，然后将其喷涂在碳纸上。为了构建膜电极组件，将两个GDEs定位在膜的两侧，无需热压，然后组装燃料电池。图10显示了在60℃和100% RH条件下，使用H2和O2无背压运行的燃料电池的极化曲线和相关功率密度。所有膜展现出接近1.0 V的高电池电压，表明它们具有优越的气体屏障特性。鉴于AEM样品使用相同的催化剂和MEA制造程序，AEMFC性能的变化主要归因于OH−离子传输率的差异。BP-ASU-x膜由于其改善的离子导电性和更大的水吸收，展现出比BP-DMP-x膜更优越的燃料电池性能。例如，使用BP-ASU-150膜的电池展现出最高的OH−导电性，在电流密度为1363 mA cm−2时实现了860.4 mW cm−2的峰值功率密度（PPD）。相反，BP-DMP-85由于阴离子导电性不足，导致欧姆电阻增加（图10b）和质量传递减少，从而性能降低（214.4 mW cm−2）。
AEMFC性能受多种因素显著影响，包括AEM和离子体特性、MEA制造技术、金属催化剂类型和负载，以及操作参数，如阳极和阴极加湿、背压、操作温度和气体流速等。尽管使用BP-ASU-150膜的H₂/O₂燃料电池展现出略低于最先进的AEMFCs（>1000 mW cm⁻2）的性能，但它优于其他具有N-环QA阳离子的不同聚合物主链衍生的AEMs，如图10c所示。在相同的IEC水平上，BP-ASU-150膜展现出更优越的燃料电池性能，进一步验证了将高亲水性ASU基团与刚性、疏水、无芳醚聚苯基主链结合，形成了明确的微观相分离，从而促进离子导电性和增强N-环QA阳离子基AEMs在燃料电池中的性能。因此，这是一种构建高性能AEMs的有效策略，在作者后续的研究中，将集中于MEAs的制备过程和燃料电池设备的运行参数优化。
【总结】
总体而言，作者已成功设计并合成了一系列含稳定的ASU和DMP N-环QA阳离子的季铵化聚苯基AEMs。首先，通过超强酸催化的Friedel-Crafts反应合成了无芳醚聚苯基，然后通过溴甲基化和叠氮化，最终通过CuAAC反应将ASU和DMP阳离子侧链接枝。合成的BP-ASU-x和BP-DMP-x膜展现出卓越的成膜能力、强大的机械强度（干态下28–63.2 MPa）和出色的热稳定性，这归功于它们刚性、无芳醚的聚合物主链。合成的BP-ASU-x膜展现出卓越的OH−导电性，80℃时为75.7–157.2 mS cm−1，高于BP-DMP-x膜（63.6–141.1 mS cm−1），使其成为AEMFCs的理想选择。尽管膜在20℃时展现出最大水吸收121.6%，但其膨胀比保持在30.7%以下，温度升高对这一属性的影响很小。最重要的是，BP-ASU-150膜展现出极高的碱性稳定性，在80℃下1 M NaOH中保持稳定超过4000小时，而BP-DMP-150膜在相同条件下保持稳定超过3100小时。尽管IEC值较低，BP-ASU-150 AEMs展现出优越的H2/O2燃料电池性能，实现了860.4 mW cm−2的PPD，是BP-DMP-85膜214.4 mW cm−2的四倍。这项工作为含N-环QAs的侧链型AEMs的分子设计提供了一种有效的合成方法，并证明了无芳醚聚苯基聚合物骨架在AEMs制备中的优越性。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123455.
