孫俊奇教授研究組在《Advanced Materials》上發(fā)表自修復(fù)質(zhì)子交換膜延長(zhǎng)甲醇燃料電池使用壽命的研究成果
研究亮點(diǎn)：
1. 制備了具有比傳統(tǒng)Nafion膜更高的質(zhì)子傳導(dǎo)率、甲醇阻隔能力及電池性能的自修復(fù)質(zhì)子交換膜。
2. 自修復(fù)質(zhì)子交換膜可以在甲醇燃料電池的工作條件下自發(fā)修復(fù)機(jī)械損傷，從而大大提高了甲醇燃料電池的使用壽命和可靠性。
化石燃料的過(guò)度消耗以及隨之而來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題給人們的日常生活和身體健康帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題。甲醇是一種清潔、廉價(jià)的燃料，它具有高的能量密度且方便存儲(chǔ)。直接甲醇燃料電池可以將甲醇的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能。由于其具有低污染排放、高能效、較長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間、簡(jiǎn)便的能量供應(yīng)而受到廣泛關(guān)注。作為甲醇燃料電池中的核心部件之一，質(zhì)子交換膜對(duì)于整個(gè)電池的性能起著至關(guān)重要的作用。
然而，質(zhì)子交換膜在使用過(guò)程中由于以下兩種原因極易產(chǎn)生機(jī)械損傷：1）在電池內(nèi)部的質(zhì)子交換膜長(zhǎng)期處于溶脹狀態(tài)，因此膜表面很容易產(chǎn)生微小的裂紋；2）甲醇燃料電池在實(shí)際使用中不可避免地會(huì)遭受撞擊或震蕩，從而使質(zhì)子交換膜產(chǎn)生貫穿整個(gè)膜的孔洞。這些損傷會(huì)導(dǎo)致大量的甲醇由電池的陽(yáng)極滲透到陰極，從而大大降低電池的使用壽命。因此，為了保證甲醇燃料電池能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，賦予質(zhì)子交換膜修復(fù)機(jī)械損傷的能力是至關(guān)重要的。
有鑒于此，吉林大學(xué)超分子結(jié)構(gòu)與材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的孫俊奇課題組將Nafion和聚乙烯醇（PVA）形成的氫鍵復(fù)合物膜通過(guò)后浸泡的方式修飾上對(duì)醛基苯甲酸（CBA）分子，從而制備了可修復(fù)機(jī)械損傷并恢復(fù)自身原有質(zhì)子傳導(dǎo)率、甲醇阻隔能力及電池性能的本征型自修復(fù)質(zhì)子交換膜。
圖1. 用于甲醇燃料電池的自修復(fù)質(zhì)子交換膜
研究表明，自修復(fù)質(zhì)子交換膜中的PVA組分可以通過(guò)氫鍵相互作用交聯(lián)Nafion中的磺酸基團(tuán)從而形成比傳統(tǒng)的Nafion膜更小更密集的質(zhì)子傳輸通道。同時(shí)，該膜內(nèi)羥基和磺酸基團(tuán)之間形成的氫鍵網(wǎng)絡(luò)以及膜的高含水量也為質(zhì)子傳輸提供了連續(xù)的路徑。因此，該自修復(fù)質(zhì)子交換膜在80 °C的水中展現(xiàn)出較高的質(zhì)子傳導(dǎo)率（0.11 S/cm），這一數(shù)值比傳統(tǒng)的Nafion膜高出20%。
圖2. 自修復(fù)質(zhì)子交換膜的制備及結(jié)構(gòu)表征
圖3. 質(zhì)子傳導(dǎo)率
研究人員還發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)的Nafion膜相比，該自修復(fù)質(zhì)子交換膜具有更優(yōu)異的機(jī)械性能，其斷裂強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別可達(dá)~20.3 MPa和~380%。并且，PVA的引入使膜展現(xiàn)出了十分優(yōu)異的甲醇阻隔能力。
在電池性能的測(cè)試中，該自修復(fù)質(zhì)子交換膜同樣展現(xiàn)出了比Nafion膜更優(yōu)異的性能，其最高能量密度和最高電流密度分別達(dá)到68.7 mW/cm2和222 mA/cm2。重要的是，該自修復(fù)質(zhì)子交換膜可以在80 oC的2 M的甲醇溶液中修復(fù)貫穿整個(gè)膜的機(jī)械損傷并恢復(fù)原有的甲醇阻隔能力以及電池性能。需要強(qiáng)調(diào)的是，該膜的修復(fù)條件是甲醇燃料電池的工作條件，這意味著一旦損傷發(fā)生，該膜可以在工作狀態(tài)下自發(fā)修復(fù)損傷。
圖4. 機(jī)械損傷修復(fù)性能以及甲醇透過(guò)率的恢復(fù)
圖5. 甲醇燃料電池性能
總之，自修復(fù)性能的引入大大地提高了質(zhì)子交換膜以及甲醇燃料電池的使用壽命和可靠性。制備該自修復(fù)質(zhì)子交換膜所用的都是商業(yè)化的材料，并且膜的制備過(guò)程十分簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的儀器設(shè)備。這些都十分有利于自修復(fù)質(zhì)子交換膜的規(guī)模生產(chǎn)。我們相信這項(xiàng)工作為制備具有優(yōu)異電池性能的自修復(fù)質(zhì)子交換膜開(kāi)辟了新的思路。
文獻(xiàn)鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201707146
本文來(lái)源：納米人
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