天大科學家研發新型質子交換膜,有望大幅提高燃料電池使用效率

2020-11-24 天津大學新聞網

本站訊（通訊員 馬天明）天津大學機械學院內燃機燃燒學國家重點實驗室外籍教授麥可·蓋佛（Michael D. Guiver音譯）與尹燕副教授合作，成功製備出了一種新穎的取向型複合質子交換膜。該質子交換膜具有在膜的透過面方向定向排列的質子通道，極大地提高了質子交換膜燃料電池的功率輸出。同時，這種複合質子交換膜具有優異的化學和機械穩定性，可以在苛刻的電池運行條件下長期使用。相關成果以題為「Magnetic field alignment of stable proton-conducting channels in an electrolyte membrane」的論文，於2019年2月19日在 《自然-通訊》 （《Nature Communications》）上在線發表。博士後劉鑫為第一作者，麥可·蓋佛教授與尹燕副教授為共同通訊作者，天津化學化工協同創新中心和天津工業大學省部共建分離膜與膜過程國家重點實驗室為合作單位。

在質子交換膜燃料電池的工作過程中，質子沿膜的厚度方向從陽極到達陰極參與反應。因此，電池性能受質子交換膜在透過面方向電導率的影響較大，而與膜的平行面方向電導率的關係較小。麥可·蓋佛教授與尹燕副教授團隊通過磁場輔助的溶液澆鑄制膜法，利用鐵氰配位聚合物和磷鎢酸形成的順磁性複合體，在質子交換膜的透過面方向構建了取向型短路徑高效質子傳輸通道。可喜的是，通過鐵氰配位聚合物和磷鎢酸的複合，該制膜方法同時解決了水溶性的磷鎢酸在聚合物基體中容易滲出的科學難題。

此外，通過鐵氰配位聚合物中鐵氰基團的氧化還原循環，該質子交換膜能夠在電池運行中不斷消耗系統內的自由基，使得膜的應用耐久性得到提升。與現有的其他碳氫系質子交換膜和作為工業標準的Nafion 212膜相比，這種取向型質子交換膜在質子電導率、燃料電池能量輸出和使用壽命方面具有更明顯的優勢和潛力。

左圖：通過磁場構建沿質子交換膜透過面方向排列的高效質子傳輸通道，磷鎢酸繫於配位聚合物分子鏈上。右圖：沿膜透過面方向排列的質子通道的透射電子顯微鏡影像（標尺長度5納米）。

Open access 原文連結:

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-08622-2

（編輯 張華 董青青）

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