新型聚苯并咪唑材料的合成条件及应用综述

在过去的二十年里溶液聚合举例，电化学电池和膜分离工艺的新应用领域不断涌现，为新型聚苯并咪唑（PBI）材料的发展提供了巨大的推动力。 PBI是以苯并咪唑基团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作为一种芳香族杂环聚合物，具有突出的热稳定性和成膜性能，薄膜材料具有优异的力学性能。聚合物中碱性苯并咪唑基团对酸的亲和性可使酸掺杂在聚合物骨架中。同时，根据 Brønsted-Lowry 酸碱理论，苯并咪唑基团也呈酸性，可溶于碱性溶液。结合的氢氧根离子被去质子化。由于PBI是两性的，它可以在酸性和碱性溶液中表现出不同的物理化学性质，因此可以同时满足在酸性和碱性两性环境中工作的需要。近年来，它已被广泛用作电化学能源装置，如酸或碱。燃料电池、水电解电池、二氧化硫电解电池、液流电池等电解质隔膜。

图1.聚苯并咪唑及相应质子化聚苯并咪唑阳离子和聚苯并咪唑盐的应用实例

Poly(2,2'-(mphenyl)-5,5'-biphenylimidazole) (mPBI) 是一种广泛研究和商业化的 PBI 聚合物。这种全芳香族聚合物由 Vogel 和 Marvel 于 1961 年首次合成。作为一种热塑性聚合物，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材料也面临着各种需求和挑战，新型PBI材料也不断涌现。根据不同工作环境的需要，合成含有不同基团的PBI材料，解决来自外部材料的问题。挑战。

在这篇综述论文中，杨景帅副教授和David Aili研究员对不同类型PBI聚合物的合成和改性方法及其在燃料电池和水电解电池等器件中的应用进行了综述和总结。具体而言，系统总结了新型PBI材料的合成条件溶液聚合举例，合成了包括m-PBI在内的68种PBI新型高分子材料，22种PBI基共聚物高分子材料。讨论了聚合物有机溶剂的溶解度和分子量分布。详细介绍了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。然后，讨论了磷酸与PBI聚合物的关系，以及磷酸掺杂PBI膜材料作为燃料电池膜电解质材料的物理化学性质。还讨论了去质子化聚苯并咪唑材料作为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量转换器件中的应用进行了总结和展望。

以上相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2020, DOI: 10.1039/d0ta01788d)。论文的共同通讯作者是丹麦技术大学研究员大卫艾力和东北大学杨景帅副教授。本文得到国家自然科学基金等项目的支持。

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