《磺酸液晶自組織原位聚合的各向異性質子傳導膜研究》是依託四川大學，由伍勇擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：磺酸液晶自組織原位聚合的各向異性質子傳導膜研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：伍勇
- 依託單位：四川大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目設計合成可聚合磺酸液晶小分子，將其液晶相有序組織原位聚合製備出結構各向異性的自支撐膜，並表征該膜在無水條件下的定向質子傳導能力。以磺酸基作為質子傳導官能團，剛性連線在棒狀液晶基元的一端，烯基作為聚合反應基團通過柔性碳鏈連線在基元另一端，合成出可聚合的熱致性近晶相磺酸液晶。基於液晶的自組織特性，在液晶盒中對分子定向排列使位於分子末端的磺酸基形成平行分層的納米結構。對定向磺酸液晶單體實施光致原位加成聚合，固化液晶相組織獲得結構各向異性的自支撐膜。膜中平行分層的磺酸基形成二維Grotthuss型質子傳遞通道，磺酸自解離的質子可在層內相鄰的磺酸基間進行躍遷輸運。垂直於膜面和平行於膜面方向的質子傳導率由測量該方向的交變瞬時質子電流確定。本項目由分子自組織構建固態離子傳導通道，通過液晶原位聚合首次研發在無水條件下定向傳導質子的高分子功能材料，所製備的聚合物膜可用於開發中溫燃料電池。
結題摘要
本項目通過磺酸內酯的開環反應和羥乙基磺酸鈉的醚化反應完成了烷基磺化，製備出基於聯苯和苯甲酸聯苯酯基元的磺酸小分子液晶同系物。這些磺酸同系物在中溫下（180-232℃）出現熱致近晶相，XRD分析表明其近晶相中形成部分交叉的雙分子層自組織。電化學交流阻抗譜測試表明所製備磺酸液晶具備無水質子傳導能力，最高傳導率高於10-2S/cm，且近晶相比其它相態更具質子傳導優勢。磺酸小分子液晶中無水質子傳導呈現出Arrhenius規律，質子在有序排列的磺酸基團間跳躍實現傳遞。本項目還製備了分子末端烷基溴代、硫氰取代和硫醇取代的近晶相液晶小分子同系物，可作為包括磺酸在內的各功能液晶合成的前體。本項目開發了一種基於側鏈溴代液晶聚合物製備功能液晶聚合物的新方法，首次由自由基聚合製備了以苯甲酸聯苯酯為基元的側鏈烷基溴代液晶聚合物。對該側鏈溴代聚合物的溴原子完全取代製取了側鏈硫氰和咪唑鹽功能化的液晶聚合物，其近晶A相的溫度跨度達到約50℃。對側鏈溴代液晶聚合物部分磺化首次製備了具有良好熱穩定性和抗氧化穩定性磺酸液晶聚合物膜。這些磺化聚合物在中溫區間（144-225℃）出現熱致液晶相，且磺化率影響到出現液晶相的種類。磺化率為20%時聚合物僅出現熱致近晶A相，磺化率為30%時升溫順序出現近晶Ａ相和向列相，磺化率為40%時僅出現向列相。電化學交流阻抗譜測試表明這些磺酸液晶聚合物具備無水質子傳導能力，傳導過程近似滿足Arrhenius規律，最高傳導率達到10-2S/cm。在相同無水條件下本項目製備的磺酸液晶聚合物膜比Nafion®117膜的質子傳導率高出約2個數量級。通過機械剪下作用對所製備的磺酸液晶聚合物進行巨觀取向後獲得了物理結構高度不對稱的薄膜。在液晶相下外力剪下後膜中會出現垂直於剪下方向的平行層狀結構，層平均厚度約為150nm。向列相下剪下的磺酸膜傳導率變化不大，而近晶A相下剪下的磺酸膜質子傳導表現出強烈的各向異性。平行於膜面方向的傳導率未檢出，而垂直於膜面方向的質子傳導得到強化，傳導率提升了一個數量級。本項目由分子自組織構建固態離子傳導通道，通過液晶前體聚合後功能化首次研發出無水條件下定向傳導質子的聚合物功能材料，所製備的磺酸液晶膜可用於開發中溫燃料電池。
