基于膦酸基的高温质子交换膜的研究进展

提高质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的工作温度,不但可以提高电催化剂的活性以及电催化剂对原料气中CO等杂质气体的耐受能力,少用甚至不用Pt等贵金属作电催化剂,还可以简化PEMFCs的水热管理系统,提高PEMFCs的综合能量转化效率.实现高温PEMFCs的核心是开发能够适用于高温PEMFCs的高温质子交换膜(HT-PEM),是PEMFCs的研究热点.在众多HT-PEM候选材料中,基于膦酸基的质子交换膜材料是最具前途的候选材料之一,是制备HT-PEM的主要研究方向.本文综述了基于膦酸基的HT-PEM的研究进展,讨论了膦酸基参与的质子传导机理,比较了纯聚合物膦酸膜、膦酸基接枝改性膜、酸-碱两性膜、掺杂型复合膜的电导率、物理化学稳定性、机械性能等.最后,展望了基于膦酸基的HT-PEM的发展趋势.     

含磺化芴基侧基的聚芳醚氧膦质子交换膜的合成与表征

将9,9-二(4-羟苯基)芴(BHPF)与二(4-氟苯基)苯基氧膦(BFPPO)聚合,合成了含芴基侧基的聚芳醚氧膦(PAEPO),并采用后磺化法,制备了侧链型磺化聚芳醚氧膦(sPAEPO)质子交换膜.通过核磁与红外确定了聚合物的化学结构,用原子力显微镜对sPAEPO的微观结构进行了表征,同时对sPAEPO质子交换膜的尺...     

质子交换膜燃料电池的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效节能、工作稳定、环境友好的理想发电装置.质子交换膜是PEMFC的核心组成,是一种选择透过性膜,主要起传导质子,分隔氧化剂与还原剂的作用.PEMFC用电催化剂有铂系和非铂系电催化剂,提高铂的利用率和开发非铂系催化剂是今后催化剂研究的主要方向.文中对电极的制备技术和电池的水管理、热管理方法也作了简要介绍.     

新颖无机质子传导材料的研究进展

质子传导在燃料电池、气体传感及电致显色等领域有重要的研究前景.尤其是在燃料电池领域,由于其具有低污染、高效率、操作简单和寿命长等优点而被广泛应用.本文介绍了质子传导在质子交换膜燃料电池中的重要作用及工作原理,分析了质子交换膜的质子传导机理,并简要分析总结了近年来关于无机及其复合质子导体材料的研究进展.     

燃料电池用高温质子交换膜

与传统质子交换膜燃料电池相比,高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)不仅可以提高催化剂对CO 的耐受能力,还能简化水热管理,提高能量转化效率.高温质子交换膜是实现高温操作的关键部件之一.掺杂无机磷酸的高温质子交换膜因为在高温度(100～200℃)和低相对湿度下具有较高的质子传导率,以及较长使用寿命而成为研究的热点...     

磷酸掺杂聚苯并咪唑类高温质子交换膜研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFCs)因耐CO能力强，可用重整气直接进料，水热管理简单等，可有效解决氢源问题，助力双碳目标的实现。作为HT-PEMFCs的核心部件，高温质子交换膜(HT-PEM)近些年来备受关注，特别是最具应用前景的磷酸掺杂聚苯并咪唑(PA-PBI)电解质膜。本文综述了PA-PBI电解质膜的种类、制备工艺、质子传输机制以及性能、寿命方面的研究进展；着重总结了PA-PBI电解质膜在性能、寿命方面面临的挑战如高质子电导率与高机械性能的矛盾、成膜性差、磷酸流失过快、机械稳定性与抗氧化稳定性差等；重点探讨了提升PA-PBI电解质膜的手段如分子结构改性、接枝、交联、有机无机复合掺杂等；展望了PA-PBI电解质膜的未来发展方向。     

电催化剂纳米碳基载体的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)因具有工作温度低、结构紧凑、无腐蚀、启动快和灵活性好等优点,受到人们广泛关注.但其工作时动力学迟缓且易受CO毒化影响,往往需要负载Pt等贵金属催化剂,导致PEMFCs的成本高昂,阻碍了其商业化应用.为提高Pt贵金属的利用率,通常将Pt负载在载体材料上来提高Pt的分散性以减少Pt颗粒集聚,因此,合适的载体材料对于降低PEMFCs成本具有极大意义.纳米碳材料由于具有高稳定性、可控的孔结构、可变的物理形态、可修饰的表面化学以及低成本等特点,是一种理想的催化剂载体材料,已被广泛应用于PEMFCs电催化剂中.本文综述了PEMFCs电催化剂的纳米碳基载体的最新研究进展,重点讨论了纳米碳的纳米结构和表面物理化学性质对电催化剂性能的影响,主要从孔结构、杂原子掺杂以及功能性碳基载体方面对其进行概述.在孔结构方面,纳米碳载体的孔形貌和孔径大小能够显著地影响PEMFCs电催化剂的催化性能.相比于无序孔,有序孔能够减小反应物分子的传质阻力,可使反应物分子更好地与载体孔道内的催化活性位点结合,增加Pt催化剂的可及性,从而提高反应活性.合适的孔径不仅能够使纳米碳载体具有足够的传质通道,还能提供充足的用于电催化反应的高比表面积,从而增加电催化剂的催化性能.在杂原子掺杂方面,向纳米碳载体中掺入氮、硫和磷等杂原子能够稳定碳载体结构,并增加载体表面与金属纳米粒子之间的结合位点,提高金属纳米颗粒的分散性,通过金属-载体之间的相互作用和协同作用提升电催化剂性能.在功能性碳载体方面,通过对纳米碳载体进行有针对性地改性得到具有特定功能的碳化物载体,改性后的功能性碳化物载体能够通过加速CO反应中间体氧化以增加电催化剂的抗CO毒化能力,并能够通过降低燃料电池腐蚀电流的方式提升电催化剂的耐久性.本文讨论了纳米碳载体的最新进展,指出PEMFC电催化剂载体的未来发展方向,为PEMFC催化剂的未来研究和设计提供参考意见,为推动PEMFC的市场化提供帮助.     

质子交换膜燃料电池铂电催化剂稳定策略

质子交换膜燃料电池使用寿命低是制约其商业化应用的主要瓶颈. 其中,影响质子交换膜燃料电池寿命的一个主要因素是其所广泛使用的贵金属铂基电催化剂在燃料电池苛刻的运行环境下（如可变电压、强酸性、气液两相流等）容易发生降解,导致电催化剂性能衰减,从而降低了质子交换膜燃料电池的使用寿命. 因此,如何保持铂基电催化剂的电化学稳定性已成为质子交换膜燃料电池稳定性研究中的重大科学问题. 本论文基于作者在该领域的长期研究成果,评述了应用于质子交换膜燃料电池的铂电催化剂稳定性的研究进展. 重点关注了能够大幅改善铂催化剂电化学稳定性的策略,包括聚合物稳定策略、多孔碳封装/限域稳定策略以及载体稳定策略,并对这些铂催化剂稳定策略所面临的挑战进行了展望.     

核壳结构催化剂应用于质子交换膜燃料电池氧还原的研究进展

质子交换膜燃料电池（PEMFCs）由于高比功率密度、高能量转换效率、环境友好和低温下快速启动等优点受到广泛关注,被认为是替代传统内燃机成为汽车动力的最理想能源转换装置。目前PEMFCs仍需较高载量的贵金属Pt作为电催化剂以保持转换效率,因此,开发低Pt量高活性的电催化剂对PEMFCs技术的商业化进程至关重要。核壳结构催化剂被证明是一种能有效降低电极Pt用量的策略,其既能通过结构优势提高贵金属Pt的利用率,又能通过电子或几何效应改善催化剂的催化活性和稳定性。本文首先简介了PEMFCs阴极氧还原反应（ORR）电催化剂构效关系的理论研究;其次综述了几种典型核壳结构电催化剂应用于ORR的研究进展;最后对ORR低Pt电催化剂的下一步研究方向作了展望。     

质子交换膜燃料电池Pt纳米线电催化剂研究现状

质子交换膜燃料电池(PEMFC)能直接将化学能转换为电能,具有能量转换效率高、环境友好、启动快等优点.其中电催化剂是决定PEMFC性能、寿命及成本的关键材料之一.目前所采用的Pt催化剂成本较高,是阻碍其商业化的主要因素.而Pt纳米线电催化剂的Pt利用率和催化剂活性高,抗CO毒性以及耐久性好.本文综述了Pt纳米线电催化剂的制备及其电化学催化性能的研究现状.     

磺化聚醚砜/磷酸硼复合质子交换膜的制备与性能

采用sol-gel法成功制备了一系列有望用于高温质子交换膜燃料电池的新型磺化聚醚砜(SPES)/磷酸硼(BPO4)复合膜, 并经热重分析(TGA)-傅立叶变换红外光谱(FTIR)联用技术、差示扫描量热仪(DSC)、扫描电子显微镜(SEM)等对膜的结构和性能进行了表征. 结果表明, 复合膜较纯SPES膜具有更高的热稳定性和玻璃化转变温度, 较低的溶胀性及较高的氧化稳定性; SEM图片显示BPO4在聚合物基体中的分布十分均匀, 这将有利于连续质子传输通道的形成; 复合膜的质子传导率随BPO4含量的增加而增加, 当温度超过120 ℃后, 复合膜仍保持着较高的质子传导率, 这表明该复合膜在高温质子交换膜燃料电池中具有良好的应用前景.     

基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的交联共混体系的高温质子交换膜

在可溶性高分子量芳醚型聚苯并咪唑(OPBI)基体中引入超支化聚对氯甲基苯乙烯(H-VBC), 通过 便捷的溶液共混-浇铸法, 制备了基于聚苯并咪唑/超支化聚合物的新型交联体系(OPBI/H-VBC-1和OPBI/ H-VBC-2), 并对膜进行季铵盐化处理(OPBI/H-VBC-QA-1和OPBI/H-VBC-QA-2), 实现了复合膜综合性能的提升. 与原始OPBI膜相比, 交联型复合膜表现出优异的尺寸稳定性和“抗塑化”能力. 在85%磷酸中浸泡72 h后, OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的体积膨胀率只有184.2%和152.4%, 而OPBI的体积膨胀率达到336.5%; OPBI/H-VBC-2和OPBI/H-VBC-QA-2的最大拉伸强度分别达到36.3和21.9 MPa, 比单一OPBI膜的10.9 MPa提高了56%~233%. 研究发现, 季铵盐化的复合膜具有更高的质子传导率（在200 ℃下的质子传导率分别达到151.5和103.4 mS/cm）与磷酸吸收水平比值. 对比研究发现, 所制备的交联型复合膜比已报道大多数高温质子交换膜(HT-PEM)具有更优异的质子传导率与力学强度平衡能力.     

静电纺丝纳米纤维在燃料电池质子交换膜中应用的研究进展

保护环境,开发环保型能源,对人类和社会具有重要意义。 质子交换膜燃料电池由于具有燃料转化率较高和无污染的优点,备受关注。 静电纺丝纳米纤维具有比表面积大、高孔隙率和三维的相互连通的网状结构等特点,可以在燃料电池质子交换膜中得到广泛应用。 静电纺丝纳米纤维类复合质子交换膜具有较高的质子传导率,较低的燃料渗透率,较好的化学稳定性能、热稳定性能和机械性能。 本文首先介绍了质子交换膜燃料电池,然后从不同的离子型聚合物基质复合质子交换膜的类别出发,介绍了静电纺丝纳米纤维在Nafion、磺化聚酰亚胺(SPI)、聚苯并咪唑(PBI)、磺化聚醚醚酮(SPEEK)等不同种类的离子型聚合物质子交换膜中的研究现状及作用机理,同时对静电纺丝纳米纤维在质子交换膜的应用方面存在的问题及应用前景做了评论和展望。     

燃料电池聚合物电解质膜的研究进展

本文根据聚合物电解质膜燃料电池操作温度、使用的电解质和燃料的不同,将其分为高温质子交换膜燃料电池、低温质子换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池和阴离子交换膜燃料电池,综述了它们所用电解质膜的最新进展.第一部分简要介绍了这4种燃料电池的优点和不足.第二部分首先介绍了Nafion膜的结构模型,并对平行柱状纳米水通道模型在介观尺度上进行了修正;接着分别对应用于不同燃料电池的改性膜的改性思路作了分析;最后讨论了用于不同燃料电池的新型质子交换膜的研究,同时列举了性能突出的改性膜和新型质子交换膜.第三部分介绍了阴离子交换膜的研究现状.第四部分对未来聚合物电解质膜的研究作了展望.     

燃料电池用聚合物质子交换膜的研究进展

质子交换膜（PEM）是质子交换膜燃料电池的核心组件之一,具有隔绝阴阳极、提供质子传递通道和阻止燃料渗透的作用. 商业化应用的全氟磺酸PEM存在燃料渗透严重、高温条件下导电性差和成本高的问题,开发性能优良的聚合物PEM显得很有必要. 本文讨论了近年来聚合物PEM的研究进展,分别从聚合物的主链、支链和交联结构角度介绍了分子结构对薄膜相分离、质子导电性、稳定性和电池性能等性能的影响,并讨论了聚合物分子结构设计方面存在的问题,最后对燃料电池用聚合物PEM在未来的发展方向进行了展望.     

Preparation of polymer electrolyte membranes based on poly(phenylene oxide) with different side chain lengths of phosphonic acid

A series of poly(phenylene oxide) (PPO) polymers bearing phosphonic acid groups on the methyl group and on the phenyl ring are synthesized as membrane materials for fuel cell applications. These phosphonic acid‐based PPO membranes exhibited high chemical resistance, dimensional stability, and good proton conductivity even under low humidity condition. Among the membranes, the one in which the phosphonic acid moiety is attached to the polymer main chain with ? CO(CH₂)₅? shows highest proton conductivity under overall conditions even though it has the lowest water uptake and IEC value. A well‐defined separation of the hydrophilic and hydrophobic phases suggests the phosphonic acid groups to form proton conduction channels via interchain hydrogen bonding. A high storage modulus of the membranes in various temperature ranges indicates that the membranes are suitable for use under a high temperature and low humidity conditions. © 2019 Wiley Periodicals, Inc. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 2019     

Synthesis of proton conductive inorganic–organic hybrid membranes from organoalkoxysilane and hydroxyalkylphosphonic acid

Proton conductive inorganic–organic hybrid membranes were synthesized from 3-glycidyloxypropyltrimethoxysiane (GPTMS), phenyltriethoxysilane (PhTES) and hydroxyalkylphosphonic acid. Two kinds of hydroxyalkylphosphonic acids, 1-hydroxyethane-1,1-diphosphonic acid (HEDPA) and hydroxyethanephosphonic acid (HEPA), were incorporated into the membranes as functional molecules for proton conduction. FT-IR and Raman studies revealed the presence of phosphonic acid groups in the hybrid membranes. ¹³C and ²⁹Si NMR confirmed that a three-dimensional siloxane network was formed in the prepared hybrid membrane by hydrolysis and condensation reactions. DTA-TG analysis showed that these membranes were thermally stable up to 200 °C. The HEDPA-based system was found to have higher proton conductivities than the HEPA-based one. The proton conductivities of the hybrid membranes increased with the phosphonic acid content and temperature up to 130 °C. The conductivities of the HEDPA/GPTMS/PhTES membranes = 1/1.6/0.4 were 1.0 × 10⁻¹ and 4.5 × 10⁻⁴ S cm⁻¹ at 100% relative humidity and non-humidified conditions, respectively, at 130 °C.     

有机-无机复合质子交换膜的制备与界面特性

有机-无机复合质子交换膜的开发是燃料电池用质子交换膜的一个重要研究方向,本文综述了有机-无机复合质子交换膜的制备方法,分析了两相之间的界面特性,并对这种复合膜的研究前景进行了展望.     

燃料电池用质子交换膜的研究进展

质子交换膜是燃料电池的重要组成部分。本文介绍了全氟磺酸膜的优缺点,对其进行改进的方法以及新型质子交换膜的发展情况,重点讨论了各类质子交换膜的制备、结构、性质以及它们在质子交换膜燃料电池(PEMFC)或直接甲醇燃料电池(DMFC)的应用,最后提出质子交换膜的发展趋势。     

直接甲醇燃料电池质子膜研究进展

本文对直接甲醇燃料电池(DMFC)质子交换膜的要求及目前的研究状况作了简要的概述,特别是从基膜材料结构角度进行分类,较详细地介绍分析以Nafion膜为代表的全氟磺酸膜的各种改性研究及以PBI、PEEK、PSU等基膜材料为代表的聚芳环系列的DMFC质子交换膜的研究情况.总结了质子交换膜的一些研究方法,对直接甲醇燃料电池质子交换膜的发展前景进行了探讨。