东北大学杨景帅副教授和丹麦科技大学David Aili研究员合作发表关于聚苯并咪唑聚合物材料的综述文章

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在过去的二十年中，电化学电池和膜分离工艺出现了新的应用领域，这为新型聚苯并咪唑（PBI）材料发展提供了巨大动力。PBI是一类以苯并咪唑基团作为结构重复单元的一系列聚合物的总称，是一大类新型工程塑料。PBI 作为芳香杂环高分子聚合物，具有突出的热稳定性和成膜性能，膜材料力学性能优良。聚合物中的碱性苯并咪唑基团对酸的亲和力，可使酸掺杂在聚合物骨架中，同时根据Brønsted–Lowry酸碱理论，苯并咪唑基团也具有酸性，可以在碱性溶液中结合氢氧离子去质子化。由于PBI具有两性，在酸性和碱性溶液中可以表现出不同物理化学性质，因此可以同时满足在酸、碱两性环境下的工作需求，近年来被广泛用作电化学能源装置，如酸性或碱性燃料电池、水电解池、二氧化硫电解池、液流电池等电解质隔膜。

图1. 聚苯并咪唑和相应的质子化聚苯并咪唑阳离子和聚苯并咪唑鎓盐的应用实例

目前广泛研究并被商业化的PBI聚合物为：聚(2,2’-(m苯基)-5,5’-联苯咪唑)（mPBI）。该种全芳型的聚合物由Vogel和Marvel在1961年首次合成得到。作为一种热塑型聚合物，mPBI聚合具有良好的热稳定性，玻璃化转变温度 为425-436 ºC 。随着时代的发展和进步，PBI材料也面对各种需求与挑战，新型的PBI材料也随之涌现，针对不同的工作环境需求，含有不同基团的PBI材料被合成用以解决来自外部材料的挑战。

在本综述论文中，杨景帅副教授和David Aili研究员综述并总结了不同类型PBI聚合物的合成、改性方法及在燃料电池和水电解池等器件中的应用情况。具体来说，系统总结了新型PBI材料的合成条件，包括m-PBI在内的68种新型PBI聚合物材料，及22种以PBI为基体的共聚聚合物材料合成方法。讨论了聚合物有机溶剂溶解性和分子量分布。详细介绍聚苯并咪唑膜材料的化学接枝改性方法、化学交联改性方法和聚合物共混改性方法。随后讨论了磷酸与PBI聚合物之间的作用关系，及磷酸掺杂PBI膜材料用作燃料电池膜电解质材料的理化性能。并讨论了聚苯并咪唑材料被去质子化后用作碱性膜材料的研究进展、降解机理和改性方法。最后对聚苯并咪唑材料在能源转化装置器件中应用情况进行了总结和展望。

以上相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A（J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/d0ta01788d）上。该论文的共同通讯作者为丹麦科技大学David Aili研究员和东北大学杨景帅副教授。该论文得到国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/TA/D0TA01788D#!divAbstract

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