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东北师范大学在多金属氧簇基杂化膜材料领域取得重要进展
东北师范大学 / 时间:2020-12-17 23:25:37

东北师范大学12月17日讯:质子交换膜燃料电池作为新型能量转换装置具有高效、节能及环境友好等优点。在该电池体系中,质子交换膜发挥着隔离燃料和传递质子的重要作用,是燃料电池的“心脏”,其性能直接决定了电池的能量密度及能量转化效率。通常来讲,质子交换膜的“质子传导率”、“甲醇渗透率”和“力学性能”等属性难以兼顾,高效质子交换膜的制备已成为制约燃料电池发展的主要因素之一。

在众多种类的质子交换膜当中,美国杜邦企业(Dupont)研制并开发的Nafion系列全氟磺酸膜受到广泛关注并应用到各类能量转换器件中。但是在低湿度下,由于Nafion 膜膜通道内水含量不足,导致膜通道收缩,质子淌流下降等问题,致使质子电导率急剧下降;且Nafion 膜甲醇渗透较严重;氧还原反应产生过氧化氢/氧自由基(·OH或·OOH)等强氧化基团,可攻击Nafion的内部骨架结构引发分解。

针对以上问题,近日,东北师范大学多酸科学教育部重点实验室臧宏瑛教授,李阳光教授和中国科学院长春应用化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室段晓征副研究员合作,提出了利用多金属铋氧酸盐精确分子级掺杂“靶向组装”策略构筑Nafion/{H6Bi12O16}杂化膜,来优化其质子传导性能和甲醇燃料电池性能以及机械稳定性能,文章发表在《德国应用化学》Angew. Chem. Int. Ed. 2020, DOI: 10.1002/anie.202012079。相比于传统的无机有机杂化方法,分子水平杂化膜的质子传导性能和甲醇燃料电池性能得到显著提升。同时,采用实验和理论结合的研究方法,从分子动力学角度揭示了其结构的特性和组装机制。

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Nafion-Bi12-3%杂化膜在80?C水中的质子传导率可达到0.386 S cm-1。{Bi12}团簇的引入,促使杂化膜保持较高质子传导率的同时抑制了甲醇渗透率。在甲醇燃料电池性能测试中,Nafion-Bi12-3%杂化膜展现出了比Nafion膜更优异的性能,直接甲醇燃料电池的最高功率密度和电流密度分别达到110.2 mWcm-2和432.7 mAcm-2。此外,研究者也分析了在恒定电压(0.35 V)下直接甲醇燃料电池的电流衰减情况,即连续50 h内总电流衰减率仅为2.46%。这项工作为通过多金属氧酸盐杂化设计多功能聚合物电解质膜提供了新的思路。


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