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華南理工大學殷盼超團隊 Angew：基于金屬氧簇-聚合物的高功率密度氫燃料電池無氟質(zhì)子交換膜
2024-01-26  來源：高分子科技

  燃料電池（FCs），尤其是氫燃料電池，因其預期的高能量密度、零排放以及氫燃料的廣泛和可持續(xù)供應，在全球范圍內(nèi)獲得了越來越多的關注，從政府能源和氣候機構、可持續(xù)能源研究所到汽車行業(yè)。其中，質(zhì)子交換膜(PEMs)作為FCs的核心部件，既要充當質(zhì)子導體，又要充當電絕緣體、機械屏障和氣體屏障，對多種功能的協(xié)同作用提出了很高的要求。目前，用于燃料電池的最先進的Nafion® 全氟磺酸（PFSA）聚合物具有高質(zhì)子傳導性和良好的穩(wěn)定性，這分別歸功于其接枝磺酸基團和全氟化化學結構所形成的滲水通道。此外，為了使薄膜具有良好相分離的質(zhì)子傳導水通道，需要進行復雜且昂貴的加工以減弱PFSA鏈的物理和化學相互作用。因此，非常需要具有成本效益的無氟聚合物質(zhì)子交換膜(PEM)。然而，目前已經(jīng)發(fā)展的無氟PEM復雜的制備過程和差的化學穩(wěn)定性，阻礙了它們作為商業(yè)化PFSA PEMs替代品的進一步發(fā)展。


  近日，華南理工大學殷盼超教授團隊采用無機-有機雜化策略通過超分子相互作用將商用無氟聚合物聚乙烯醇丁醛(PVB)與超酸性納米金屬氧簇H3PW12O40 (PW)輕松絡合制備的納米復合材料用作PEM。兩種組分之間的強親和性使得所獲得的納米復合材料具有兩親性，并進一步相分離成具有相互連接的質(zhì)子傳輸通道和堅固的聚合物骨架的雙連續(xù)結構，從而實現(xiàn)了復合材料高的質(zhì)子電導率，機械/尺寸穩(wěn)定性和屏障性能，并且裝配復合PEM的H2/O2 FC具有良好的功率密度和長期穩(wěn)定性。有趣的是，由于易于絡合的策略和雜化材料優(yōu)異的力學性能，通過典型的帶式鑄造技術，可以在具有挑戰(zhàn)性的 ~ 10 um厚度下連續(xù)大規(guī)模制造雜化PEM。這項工作不僅為商用PEM提供了潛在的材料體系，還提高了人們對納米復合功能材料的研究興趣。

 

圖1. 納米復合材料的制備過程和形態(tài)特征


 圖2. 納米復合材料的結構表征

 

圖3. 復合膜的電化學性能、機械性能和表面特性

 

圖4. 復合膜組裝膜電極的H2-O2燃料電池性能測試


  這項工作證明了通過超分子組裝商用金屬氧簇和無氟聚合物制備雜化材料的策略，可以方便、經(jīng)濟地制備出質(zhì)子電導率、穩(wěn)定性和可加工性均衡的PEM，并在連續(xù)制備金屬氧簇基復合PEM方面實現(xiàn)了新的突破。并且，無機-有機雜化納米復合材料的設計被證實是解決PEM開發(fā)過程中關鍵挑戰(zhàn)的可選材料，這為經(jīng)濟高效地制造高性能、堅固耐用的FC器件提供了巨大潛力。


  以上成果近期以“Supramolecular Complexation of Metal Oxide Cluster and Non-Fluorinated Polymer for Large-Scale Fabrication of Proton Exchange Membranes for High-Power-Density Fuel Cells”為題發(fā)表在國際著名期刊 Angew. Chem. Int. Ed. 上。文章第一作者為華南理工大學博士生劉祿，通訊作者為華南理工大學殷盼超教授。
該研究得到國家自然科學基金（22241501、92261117和22173033）、粵港澳中子散射科學與技術聯(lián)合實驗室，中國中子源松山湖科學城開放基金，TCL科技創(chuàng)新基金（No. 20222056）和上海同步輻射BL16B1線站的支持。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202318355

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（責任編輯：xu）
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