質子交換膜傳遞通道理性構筑及其微環(huán)境調控研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為一種新型發(fā)電裝置，具有高效率、零污染等特點，在能源領域發(fā)揮著重要作用。質子交換膜（PEM）是其“心臟”，決定電池功率。開發(fā)高傳遞性能PEM是實現(xiàn)PEMFC大規(guī)模應用的關鍵挑戰(zhàn)。為此，必須從分子尺度到微納米尺度揭示膜通道與傳遞特性之間的關聯(lián)，為膜結構設計奠定基礎。本研究以PEM的傳遞性能優(yōu)化為主要目標，圍繞膜材料定向設計-膜通道理性構筑-膜微環(huán)境協(xié)同調控-膜傳遞特性優(yōu)化這一鏈條，融合仿生和雜化思想，揭示

2、了微環(huán)境與傳遞特性之間關聯(lián)，實現(xiàn)了傳遞特性的顯著優(yōu)化，以期為高性能PEM的規(guī)?；苽涮峁├碚撝笇Ш图夹g支持。主要研究成果如下：
　　膜化學微環(huán)境調控與質子傳遞過程強化。受植物保水機理啟發(fā)，制備了親疏水性可調變的羧酸微囊（PMCs），將其與磺化聚醚醚酮共混制備雜化膜。研究發(fā)現(xiàn)：PMCs在膜中發(fā)揮著“蓄水池”的作用，優(yōu)化了傳遞通道的水環(huán)境（化學微環(huán)境），從而使膜在低濕度下的傳導率增加13倍。制備了兩性離子微囊（ZMCs），將其與Naf

3、ion共混制備雜化膜。研究發(fā)現(xiàn)： ZMCs能同時優(yōu)化膜通道水環(huán)境和質子載體（化學微環(huán)境），強化了雜化膜在低濕度下的質子傳導（提升21倍）。
　　膜物理、化學微環(huán)境協(xié)同調控與質子傳遞過程強化。制備高分子功能化碳納米管（FCNTs），將其與Nafion共混制備雜化膜。研究發(fā)現(xiàn)：FCNTs協(xié)同優(yōu)化了膜通道物理、化學微環(huán)境，實現(xiàn)了質子傳導的高效強化（提升5倍）；在物理微環(huán)境方面，F(xiàn)CNTs在膜內構筑了高度連續(xù)的質子傳遞通道；在化學微環(huán)境方

4、面， FCNTs含有高密度的離子基團。通過直接組裝膦酸化氧化石墨烯納米片（PGO），在PGO膜中構筑了貫穿型通道，克服了兩親性高分子膜在構筑通道方面的局限。在物理微環(huán)境方面，規(guī)則排列的GO納米構筑了貫通于膜的超級連續(xù)通道；在化學微環(huán)境方面，膦酸基團能夠獨立形成動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡。
　　膜物理、化學微環(huán)境協(xié)同調控與質子/甲醇傳遞特性優(yōu)化。通過在Nafion膜表面組裝超薄的氧化石墨烯（GO）膜，制備了復合膜。研究發(fā)現(xiàn)：由于對膜表層GO膜中傳