功能化氧化石墨烯和共价有机框架材料填充型质子导电膜

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质子交换膜(PEM)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件,决定着电池的性能。目前以Nafion?膜为代表的商用聚全氟磺酸膜存在低湿度(<50%RH)下质子传导率骤降且成本较高的问题;而以磺化聚醚醚酮(SPEEK)膜为代表的成本较低的碳氢链聚电解质膜,质子传导率与尺寸稳定性间存在制约关系,限制了其实际应用。针对上述问题,本研究通过将质子导体功能化氧化石墨烯(GO)和共价有机框架材料(COF)引入高分子基质中,优化膜内化学和物理微环境,提高膜的质子传导率。将咪唑基离子液体(IMD-Si)接枝到GO纳米片上,得到mGO,进而再将磷钨酸通过与咪唑基团间的静电作用负载于m GO上,得到质子导体功能化GO纳米片(P-m GO),并再将其引入SPEEK高分子基质中,制备了SPEEK/P-m GO复合膜。GO高长径比二维片层结构和磷钨酸在高温下的高质子传导特性,使复合膜内局部具有连续质子传递通道。在65°C,40%相对湿度下,SPEEK/P-m GO-4膜的质子传导率达到5.0 m S cm-1,是纯SPEEK膜的31.3倍。相较于GO纳米材料,IISERP-CON1型多孔COF材料具有规整有序的一维通道,可为质子传递提供快速通道。将磷钨酸负载于COF纳米粒子中,得到质子导体功能化COF(P-COF),并再将其引入SPEEK高分子基质中,制备了SPEEK/P-COF复合膜。在65°C,40%相对湿度下,SPEEK/P-COF-15膜的质子传导率达到6.2 m S cm-1,是纯SPEEK膜的36.5倍。将两性离子接枝到SNW-1型COF骨架,得到有本征质子传导能力的Z-COF,再将其引入到Nafion基质中,制备了Nafion/Z-COF复合膜。Z-COF纳米粒子的引入提高了复合膜保水能力。在80°C,40%相对湿度下,Nafion/Z-COF-10膜的质子传导率达到10.9 m S cm-1,是重铸Nafion膜的7.3倍。
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