【摘 要】
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作为直接甲醇燃料电池的核心组成部分,质子交换膜的品质直接决定燃料电池的运行性能好坏及寿命长短。当前,限制商业化Nafion膜以及非氟磺酸类聚合物膜发展的共同问题为:质子传导率与甲醇渗透率之间存在着明显的trade off效应。为解决上述问题,我们通过调整纺丝液中制孔剂的含量,结合静电溶吹技术和热处理工艺,成功制备了两种异形氧化铝纳米纤维:多孔氧化铝纳米纤维（PANFs）和多刺氧化铝纳米纤维（SAN
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作为直接甲醇燃料电池的核心组成部分,质子交换膜的品质直接决定燃料电池的运行性能好坏及寿命长短。当前,限制商业化Nafion膜以及非氟磺酸类聚合物膜发展的共同问题为:质子传导率与甲醇渗透率之间存在着明显的trade off效应。为解决上述问题,我们通过调整纺丝液中制孔剂的含量,结合静电溶吹技术和热处理工艺,成功制备了两种异形氧化铝纳米纤维:多孔氧化铝纳米纤维（PANFs）和多刺氧化铝纳米纤维（SANFs）,功能化后将其作为功能添加剂引入到磺化聚砜（SPSF）基体中来制备改性SPSF复合质子交换膜。探究不同化学组分和不同物理结构的氧化铝纳米纤维对复合质子交换膜性能的影响,从而为开发质子传导和阻醇性能同步提高的优异质子交换膜提供研究思路。主要研究内容如下:（1）通过静电溶吹技术（EBS）制备出多孔氧化铝纳米纤维（PANFs）,经多巴胺化学改性后得到胺基化氧化铝纳米纤维（PANFs-NH2）。将PANFs和PANFs-NH2分别引入到SPSF基体中,采用流延成型法获得改性SPSF复合质子交换膜（PANFs/SPSF和PANFs-NH2/SPSF）。氧化铝纳米纤维自身具有的长程连续结构既为质子的转移提供了大量的转移载体和传导路径。同时,PANFs丰富的孔隙在PANFs和聚合物基体之间的界面上提供了大量的垂直转移通道,这些稳定的垂直通道促进了垂直向的质子传导,提升复合膜的质子传导率。实验表明,PANFs-NH2/SPSF复合膜的质子传导率为0.237 S cm-1（80℃,100%RH）。与此同时,甲醇阻隔性能也有了一定程度的提高。（2）通过调控纺丝液中聚四氟乙烯（PTFE）的含量及热处理过程中的煅烧温度,成功制备均匀且连续的多刺氧化铝纳米纤维（SANFs）,多巴胺功能化后得到SANFs-NH2。将其作为功能添加剂引入到SPSF基体中得到SANFs/SPSF和SANFs-NH2/SPSF复合膜。研究表明,得益于多刺结构优势及酸碱对（-SO3H…-NH2）作用,SANFs-NH2/SPSF复合膜中水平向和垂直向质子传递位点增多,质子转移各向异性降低,质子传导率高达0.263 S cm-1（80℃,100%RH）。同时,纳米纤维与聚合物基体界面相容性增强,甲醇渗透率降至4.18×10-7cm~2s-1。复合质子交换膜的质子传导性和阻醇性都得到了改善,为构筑价格低廉、高性能质子交换膜提供了参考。
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