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Advanced Materials:自修复质子交换膜——延长甲醇燃料电池使用寿命的新思路

化石燃料的枯竭以及随之而来的环境污染问题严重地影响了人们的日常生活和身体健康。甲醇是一种清洁、廉价的燃料,它具有高的能量密度且方便存储。直接甲醇燃料电池是一种可以将化学能直接转化成电能的装置。由于其具有高能效、低污染排放、较长的运行时间、简便的能量供应而受到广泛的关注。作为甲醇燃料电池中的核心部件之一,质子交换膜对于整个电池的性能起着至关重要的作用。然而,由于电池内部的质子交换膜长期处于溶胀状态,膜表面很容易产生微小的裂纹或孔洞。在长期使用过程当中,这些微小的缺陷会演变成很严重的机械损伤,最终导致大量的甲醇由阳极渗透到阴极从而大大降低电池的使用寿命。同时,甲醇燃料电池在实际使用中不可避免地会遭受撞击或震荡,从而对质子交换膜造成物理损伤。因此,为了保证甲醇燃料电池能够长期稳定地工作,赋予质子交换膜修复机械损伤并回复质子传导和阻隔甲醇的能力具有重要的意义。

Advanced Materials:自修复质子交换膜——延长甲醇燃料电池使用寿命的新思路

最近,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室的孙俊奇教授课题组将Nafion树脂和聚乙烯醇(PVA)形成的复合物膜通过后浸泡的方式修饰上对醛基苯甲酸(CBA)分子,从而制备了首例本征型自修复质子交换膜(简称CBA/Nafion−PVA膜)。与传统的Nafion膜相比,CBA/Nafion−PVA膜具有更优异的机械性能,其断裂强度和伸长率分别可达~20.3 MPa和~380%。CBA/Nafion−PVA膜在80 °C的水中的质子传导率可达0.11 S/cm,这一数值比Nafion膜高出20%。PVA的引入以及后修饰CBA分子使膜展现出了优异的质子传导率和甲醇阻隔能力。在电池性能的测试中,CBA/Nafion-PVA膜展现出了比Nafion膜更优异的性能,电池的最高能量密度和最高电流密度分别达到68.7 mW/cm2和222 mA/cm2。CBA/Nafion−PVA膜在80 ºC的2 M的甲醇溶液中可以修复贯穿整个膜的机械损伤并恢复自身原有的质子传导率、甲醇阻隔能力及电池性能。需要强调的是,CBA/Nafion−PVA膜的修复条件是甲醇燃料电池的工作条件,这意味着一旦损伤发生CBA/Nafion−PVA膜可以在工作状态下自发修复损伤。自修复性能的引入大大地提高了质子交换膜以及甲醇燃料电池的使用寿命和可靠性。同时,制备自修复CBA/Nafion−PVA膜所用的都是商业化的材料,膜的制备过程十分简单且不需要复杂的仪器设备,这些都有利于其规模生产。这项工作为制备具有优异电池性能的自修复质子交换膜开辟了新的思路。

相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201707146)上。

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