西湖大学孙立成院士Angew:PAQ-5基AEM-WE实现高性能水电解

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阴离子交换膜(AEMs)是阴离子交换膜水电解槽(AEM-WEs)的核心部件,但官能团季铵阳离子的稳定性,特别是在高温和恶劣碱性条件下的稳定性,严重影响了其性能和耐久性。


基于此,西湖大学孙立成院士等人合成了1-甲基-3, 3-二苯基喹啉的分子构建单元。通过酸催化Friedel-Crafts聚合,作者制备了一系列分子量可控、离子交换电导率可调的支化聚芳基喹啉(PAQ-x)AEMs。
测试发现,基于PAQ-5的非贵金属基AEM-WE,在2 V下具有8 A cm-2的高电流密度,并且在梯度恒流测试中具有2446 h稳定性。
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DFT计算解读
通过DFT计算,作者研究了不同潜在降解途径下DPQui和DPPip中的ΔG。由于桥式双环结构内部空间狭窄,β-亚甲基的旋转受到限制。
DPQui中E2的ΔG(33.33 kcal mol-1)高于DPPip的抗E2(26.62 kcal mol-1),表明桥联双环结构明显阻碍了E2反应。此外,DPQui中SN2甲基的ΔG(31.21 kcal mol-1)高于DPPip(27.78和29.60 kcal mol-1)。
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DPQui中亚甲基SN2的ΔG(30.52 kcal mol-1)低于DPPip中亚甲基SN2的ΔG值(32.43 kcal mol-1)。由于位阻的影响,亚甲基-1 SN2在DPQui中的ΔG高达39.30 kcal mol-1,是最难发生降解反应。
DFT结果表明,引入Qui是提高季铵功能阳离子稳定性的有效策略,并且DPQui的SN2是恶劣条件下潜在的降解途径。
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Stable Anion Exchange Membrane Bearing Quinuclidinium for High-performance Water Electrolysis. Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: https://doi.org/10.1002/anie.202400764.

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