Mater. Des.：磺化二氧化矽塗覆聚偏氟乙烯電紡納米纖維基複合膜用於直接甲醇燃料電池
DOI:10.1016/j.matdes.2020.108806通過三步簡單的表面功能化工藝製備了具有高強度和超高磺酸基表面濃度的磺化二氧化矽塗覆聚偏氟乙烯（S-SiO2@PVDF）納米纖維基底。然後，將S-SiO2@PVDF基底用作殼聚糖（CS）的機械強化支撐和互連的三維質子傳輸網絡，以製備用於直接甲醇燃料電池（DMFCs）的複合質子交換薄膜。S-SiO2@PVDF納米纖維骨架作為CS基體的機械支撐，可以顯著提高尺寸穩定性、拉伸強度、伸長率和抗機械損傷能力。同時，作為質子傳導網絡，複合膜的電導率顯著提高至21.2 mS cm-1（約為純CS的2.8倍）。此外，由於CS基質本身的優異甲醇阻隔能力以及納米纖維的限制作用，複合膜的甲醇穿透率低至4.2×10-7 cm2 s-1，僅為商用Nafion 115的26％。DMFC測試表明，複合膜的最大功率密度為86.3 mW cm-2（80℃），即使在0.35 A cm-2的恆定電流下運行100小時，功率密度損失僅為5.4％。
圖1.S-SiO2@PVDF納米纖維的合成過程示意圖。
圖2.PVDF、PDA@PVDF、SiO2@PVDF和S-SiO2@PVDF納米纖維墊的（A）ATR-FTIR、（B）XPS和（C）TGA曲線。
圖3.（A，E）PVDF、（B，F）PDA@PVDF、（C，G）SiO2@PVDF和（D，H）S-SiO2@PVDF納米纖維的SEM圖像。
圖4.（A）CS、（B）CS/PDA@PVDF、（C）CS/SiO2@PVDF和（D）CS/S-SiO2@PVDF膜的橫截面SEM圖像。
圖5.CS和複合膜質子傳導的（A）表面膨脹、（B）厚度膨脹、（C）吸水率和（D）Arrhenius圖。
圖6.溼態下CS、Nafion 115和複合膜的拉伸應力-應變曲線。
圖7.在80℃下使用CS、Nafion 115和含（A）1、（B）2和（C）5 M甲醇的複合膜的直接甲醇燃料電池的極化和功率密度曲線，（D）DMFC測試前後，CS、CS/S-SiO2@PVDF和Nafion 115膜的膜電極。
圖8.在80℃下用5 M甲醇進行（C）100 h計時電位測定前後（A）CS/S-SiO2@PVDF和（B）Nafion 115膜的極化和功率密度曲線。
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文章來源：易絲幫