【摘 要】
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质子交换膜是燃料电池的关键部件。它需要有良好的质子电导率,同时还需要阻隔燃料的渗透。杜邦公司成功商业化生产的Nafion系列质子交换膜具有很高的质子传导率(0.1S/cm)和优
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质子交换膜是燃料电池的关键部件。它需要有良好的质子电导率,同时还需要阻隔燃料的渗透。杜邦公司成功商业化生产的Nafion系列质子交换膜具有很高的质子传导率(0.1S/cm)和优异的化学稳定性,但其依然具有几个明显的缺点。比如,价格高昂、燃料渗透率高且在高温低湿度下失水严重,阻碍了其在燃料电池中的应用。制备以磺化聚醚醚酮(SPEEK)为代表的碳氢系无氟磺酸膜是替代Nafion的可行方案之一。但SPEEK较低的质子电导率制约了其在燃料电池中的实际应用。所以,提高SPEEK的质子电导率是相关研究的重点。将具有良好质子传导能力的纳米材料作为填料加入聚合物中是提高质子交换膜的一种简单有效的方法,这类材料则通常含有酸根基团。将十二烷基苯磺酸钠(SDBS)作为填料加入SPEEK中,当填料质量分数达到10%时,质子电导率从0.051S/cm提高到0.091S/cm。对电导率进行稳定性测试,薄膜在水中浸泡120h以上电导率不发生变化。亲水相的增大使得质子传导环境变好,加入SDBS后,薄膜活化能逐渐降低。磷钨酸(HPW)与石墨相氮化碳(g-C3N4)水热法结合后的纳米填料成功解决了HPW在水中的流失问题。粉末的XRD、FTIR、TGA和XPS显示HPW与g-C3N4有良好的结合。当HPW与g-C3N4的比例为5:1,填料质量分数为10%时质子交换膜在水中的电导率从0.057S/cm提升到0.086S/cm,在75%湿度及以下时,电导率比纯SPEEK高出一个数量级以上。由于HPW本身的IEC 比较低,掺有HPW/C3N4纳米填料的薄膜虽然吸水率和电导率有提高,但是IEC依然有所降低。
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