ABPBI/SPEEK高温质子交换复合膜的制备与表征

采用溶剂蒸发法制备聚(2,5-苯并咪唑)/磺化聚醚醚酮(ABPBI/SPEEK)高温质子交换复合膜。考察了SPEEK的掺入对ABPBI/SPEEK质子交换复合膜的结构及性能的影响。结果表明,ABPBI膜和ABPBI/SPEEK复合膜在高温下的热稳定性能良好;随着SPEEK的掺入,ABPBI/SPEEK复合膜有更好的氧化稳定性和机械性能,ABPBI/SPEEK(20%)复合膜在芬顿试剂中96 h后的质量损失为0.84%,其拉伸强度为120.51 MPa,相较于Nafion 117膜明显提高;ABPBI/SPEEK(20%)复合膜的酸掺杂率为186.68%,该膜在160℃、0%RH时的质子电导率为3.4 mS/cm,约为ABPBI膜的1.78倍。

金属有机骨架(MOFs)基复合质子交换膜的研究进展

近年来,金属有机骨架(MOFs)材料由于具有超大的比表面积和丰富的孔道结构,作为一种新型的质子导体在质子交换膜中的应用受到越来越多的关注。随着研究的不断深入,为进一步提升MOFs复合质子交换膜的各项性能,MOFs材料在质子交换膜中的物理形态逐渐由颗粒状向连续相发展,MOFs材料的组分也呈现出由单一组分到双组分的发展态势。本文以质子交换膜中MOFs材料的物理形态为主线,将其划分为MOFs晶体/聚合物质子交换膜、第三相增强MOFs/聚合物复合质子交换膜和MOFs纳米纤维/聚合物复合质子交换膜,全面综述了MOFs材料在质子交换膜中的研究进展,并对MOFs复合质子交换膜的发展方向进行了展望。

质子交换膜燃料电池系统故障机理分析及诊断方法研究综述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells,PEMFC)以其高效无污染等特性在发电、交通运载以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而可靠性和耐久性不足等问题已成为技术瓶颈,亟需探究高效的系统故障诊断方法。该文在介绍质子交换膜燃料电池系统构成及典型故障产生机理的基础上,综述了基于模型方法、数据驱动方法、实验测试方法、融合方法等质子交换膜燃料电池系统的故障诊断方法研究进展,对各种方法进行了分析比对,并对在线诊断技术进行总结分析,最后提出质子交换膜燃料电池系统故障诊断方法发展趋势及展望,以期为其后续研究及快速商业化应用提供参考。

纳米纤维复合质子交换膜研究

质子交换膜(PEM)作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)的关键部件,决定了其整体性能。目前的PEM存在高甲醇渗透率、价格昂贵等问题,限制了其商业应用。随着纳米复合材料技术的发展,将纳米纤维引入PEMs制备纳米纤维复合质子交换膜(NCPEMs)得到了广泛研究。在NCPEM中,纳米纤维可以形成质子传输的远程通道,并增强骨架以达到PEMFCs的目标性能。文章以NCPEM为重点,综述了NCPEM制备技术的最新进展。此外,还从纤维组成方面综述了有机-功能化有机纳米纤维和有机-无机杂化纳米纤维的纳米纤维复合质子交换膜。

质子交换膜燃料电池热管理系统建模及故障仿真

文章以质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)系统为研究对象,分析系统中各组成部件的工作机理,在MATLAB/Simulink软件中搭建了燃料电池电堆电压、阴极、质子交换膜、阳极以及温度的数学机理模型,同时使用Simulink/Simscape物理建模平台搭建热管理系统的物理模型,将两种模型集成为完整的PEMFC系统仿真模型。在所搭建的热管理系统模型中注入典型故障:散热器风扇故障和冷却液流量不足故障,对各故障模式下的燃料电池性能进行了分析。仿真结果表明:PEMFC系统模型结果与试验结果基本一致,验证了模型的合理性;通过对热管理系统故障进行仿真,可以清楚地了解故障发生的机理,为其故障诊断提供了参考依据。

质子交换膜燃料电池多物理场建模及模型参数敏感性分析

受限于外部运行工况及内部多物理场参数的耦合作用机制,质子交换膜燃料电池的精确机理建模成为其研发和应用的瓶颈。该文通过探究燃料电池内部“电-热-流”多场耦合关系,构建准一维电堆动态模型,并基于单参数敏感性和多参数敏感性分析,得到不同模型参数的敏感度指标,完成了建模中部分关键参数的权重分析。为验证模型精度及耦合参数变动对输出特性的影响,在搭建Ballard NEXA 1.2 kW燃料电池测试平台的基础上开展变载及参数变动实验。结果表明,所构建的模型能够较为精确的模拟电堆特性,且对称因子、活化面积和压力系数的变动对电堆输出的影响较大。结果可为燃料电池电堆的测试及改型提供理论基础,并揭示电堆故障及老化过程中主要参数的衰退变化趋势。

全钒液流电池用磺化聚芴醚酮质子交换膜的制备及性能

首先,将9,9-二(3,5-二甲基-4-羟基苯基)芴(DMBHF)、9,9-双(4-羟苯基)芴(BHF)和4,4’-二氟二苯甲酮(DFB)在高温下缩聚,得到聚芴醚酮(PFEK-x)(x=30、40、50,x为DMBHF含量,以DFB的物质的量计,下同);接着,利用溴代反应将PFEK-x的甲基功能化为溴甲基;然后,通过4-羟基苯磺酸钠的SN2亲核取代制得具有不同离子交换容量的磺化聚芴醚酮(SPFEK-x);最后,通过溶液浇铸法成膜并酸化,制得新型低成本质子交换膜(PEMs)。采用^(1)HNMR、FTIR、TGA对其进行了表征,并对其性能进行了测试。结果表明,SPFEK-40膜具有较高的质子传导率及离子选择性、较低的钒离子渗透率及面电阻,综合性能优异。以SPFEK-40膜组装的全钒液流电池(VRFB)在电流密度为80 m A/cm^(2)时的能量效率为88.2%,高于以Nafion 212膜组装的VRFB的84.8%。此外,以SPFEK-40膜组装的VRFB在30次循环后放电容量保持率为84.3%,远高于以Nafion 212膜组装的VRFB(66.1%)。该合成路线的原料来源广泛,价格低廉,不涉及危险的磺化反应,易于工业放大。制得的SPFEK-x均具有良好的机械性能和氧化稳定性。

质子辐照下CMOS图像传感器随机电报信号机理研究

针对星用CMOS图像传感器面临的质子辐照导致像素性能退化问题,基于中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器试验装置,开展质子辐照导致CMOS图像传感器随机电报信号研究。试验结果表明,CMOS图像传感器积累的位移损伤剂量为240 TeV·g^(-1)时,质子辐照产生的随机电报信号占比为21.4%。随机电报信号可在2~8个固定的暗电流台阶之间随机波动,而且其行为受积分时间调控。分析认为,质子辐照CMOS图像传感器产生的随机电报信号来自于光电二极管,与像素内晶体管无关。质子辐照诱发的复杂位移缺陷是导致光电二极管随机电报信号的原因,复杂位移缺陷在室温条件下可以在不同结构之间随机转换,引起暗电流随机波动。低温工作条件可以有效抑制质子辐照导致的随机电报信号。

高质子传导率的GSPEEK凝胶膜制备及其PEMWE性能

磺化聚醚醚酮(SPEEK)质子交换膜一般是将聚醚醚酮(PEEK)先磺化然后再进行溶解流延的方式来制备,存在制备过程复杂和电导率较低等问题.本研究创新性的将磺化与成膜过程集成,一步实现从PEEK到磺化度可控的凝胶质子膜(GSPEEK)的高效制备.GSPEEK膜具有的独特“鱼鳞”状微观形貌,极大提升其质子电导率,在GSPEEK固含量为10%(质量分数)、成膜温度40℃时电导率可达167.0 mS/cm,其质子传导率分别是普通SPEEK膜的3.05倍和商业Nafion 117膜的2.45倍.组装成质子交换膜电解水制氢膜电极(MEA)进行测试,结果表明,当电压为2.4 V时,GSPEKK-10膜的电流密度为1000 mA/cm^(2),相较于普通SPEEK膜和Nafion-117膜的600 mA/cm^(2)、400 mA/cm^(2),其电解水性能得到了大幅度的提升,具有潜在的产业化前景.

质子交换膜燃料电池核心部件分析

对质子交换膜燃料电池工作原理、结构进行分析,重点对质子交换膜燃料电池的双极板、质子交换膜、电催化剂、膜电极关键部件进行分析研究,质子交换膜燃料电池生产成本高是影响商业化普及的重要原因,未来随着质子交换膜燃料电池技术的进步,生产成本将大幅度降低,有望在汽车产业得到广泛应用。

中国散裂中子源伴生质子束实验平台及其应用

基于中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)建设的伴生质子束实验平台(associated proton beam experiment platform,APEP)主要用于宇航器件及设备的辐照损伤研究。质子能量在10~80 MeV之间连续可调,束流能散小于10%,束斑尺寸和束流流强也能够根据实验需求进行调节。自2021年10月投入运行以来,APEP已经开展了电子元器件辐照损伤实验、探测器标定实验、各类材料辐照损伤研究等百余项多学科实验研究,为我国多学科特别是辐照损伤效应领域的科学研究和应用研究提供了一个重要的质子束实验平台。

金属有机框架/离子液体增强的质子交换膜的制备及性能

为了提高磺化聚醚醚酮/离子液体(SPEEK/IL)膜的质子电导率,降低膜中IL的流失率,采用溶液浇铸法制备了双金属Cd@Co-MOF-74/磷酸基-4-苯基咪唑离子液体([IM2][H_2PO_4])/SPEEK三元复合膜。结果表明,由于离子液体中的咪唑环与MOF中的—OH或羧酸基团之间形成氢键,咪唑分子被锚定在MOF的孔壁上。在120℃、Cd@Co-MOF-74掺杂的质量分数为1.5%时,三元复合膜的质子电导率最高,达到26.93 mS·cm~(-1)。不同含量的双金属MOF/IL/SPEEK三元复合膜中IL流失率在20%~25%之间。在SPEEK/IL膜中掺杂双金属MOF在保证SPEEK膜有较高质子电导率的同时,降低了SPEEK/IL复合膜的溶胀率,进而增加了SPEEK/IL复合膜的使用寿命。

基于玻璃毛细管的大气环境MeV质子微束的产生与测量

本文采用玻璃毛细管产生了大气环境中工作的2.5 MeV质子外束微束,并对束斑直径及能量分布随玻璃毛细管与束流方向之间角度(倾角)变化进行测量.测量结果表明,在玻璃毛细管轴向与束流方向一致时(倾角为0°),产生的微束中存在保持初始入射能量的直接穿透部分以及散射部分,其中直接穿透的质子占比最大,束斑直径也最大.随着玻璃毛细管倾角的增大,当其大于几何张角时,束斑直径变小,产生的微束全部为能量减小的散射部分,直接穿透质子消失.我们对质子在玻璃毛细管内传输时的内壁散射过程进行了模拟计算及离子轨迹分析,发现大角度的散射部分决定了形成的外束微束斑外围轮廓,而束斑中心区域由不与毛细管内壁产生任何作用的直接穿透离子构成,其大小由玻璃毛细管出口直径以及几何容许张角决定.采用玻璃毛细管产生的外束微束具有产生简单廉价,微束区域定位简单的特点,有望在辐射生物学、医学、材料等领域得到广泛应用.

基于蜂窝仿生流场的质子交换膜燃料电池的性能研究及优化

为了增强质子交换膜燃料电池(PEMFCs)内部燃料分布的均匀性与水管理能力,本文研究了一种新型的基于仿生结构的蜂窝仿生流场。首先,根据蜂窝结构特征,搭建出三维多相流非等温几何模型并确立PEMFC的数学模型;其次,采用计算流体动力学Fluent软件对模型进行无关性与有效性验证,并对蜂窝仿生流场和常规平行流场的电池性能和燃料分布进行了模拟分析;最后,对比极化性能、气体流速分布、燃料与液态水组分浓度和电流密度分布,验证了蜂窝仿生流场设计的有效性。研究结果表明:采用蜂窝仿生流场的电池峰值功率密度比常规平行流场高15.6%,其内部水管理能力和燃料分布均匀性均强于平行流场;左端进气的蜂窝仿生流场比采用上端进气的蜂窝仿生流场在气体通路内具有更均匀的气体压力,可有效避免流道内产生局部涡流,其峰值功率密度可以达到0.3933 W/cm2。

金属有机框架质子导体及其质子交换膜应用研究进展

质子交换膜(PEMs)在燃料电池中起到关键作用,它分离了阴极和阳极,提供了质子传输通道,阻隔了燃料在电池中的渗透。以Nafion为代表的全氟磺酸膜具有优异的化学稳定性、优异的热稳定性和较高的质子传导率,但也存在成本较高、高温下机械性能较差和质子传导率低,以及易降解等问题。金属有机框架结构(MOFs)具有孔隙率高、比表面积大和内部孔道可调控等优点,作为PEMs的潜在材料,直接用于质子导体或用于修饰、改进现有的离子型高分子PEMs,取得了一系列重要进展。本文综述了MOFs结构质子导体常见的四种质子传导方式,总结了MOFs在不同类型离子型聚合物的复合PEMs中的相关研究,并指出了MOFs质子导体在PEMs应用中存在的问题,为其进一步开发和应用提供参考。

拍瓦激光驱动纳米刷靶高品质质子束的产生

超强激光加速产生的高能质子束源在基础物理研究、材料科学、生物医疗等领域具有广泛应用前景。基于激光聚变研究中心的SILEX-II装置,开展了高对比度飞秒激光驱动纳米刷靶质子加速实验研究。采用等离子体镜技术进一步提升激光对比度,有效降低了预脉冲对纳米刷靶结构的影响。相比于平面靶,采用纳米刷靶质子截止能量提高到1.5倍,质子束产额增加近一个量级,成功验证了超高功率密度下纳米刷靶对激光离子加速的增强效果,并且有效提升了质子束空间分布的均匀性。研究结果为高品质质子束源的产生和应用提供了技术途径。

三维酰胺质子转移成像在原发性肝癌临床扫描可行性及图像质量评估中的初步研究

目的 评估参数优化的三维酰胺质子转移加权(3 dimensions-amide proton transfer weighted,3D-APTw)成像在原发性肝癌扫描中的图像质量并分析其临床扫描的可行性。材料与方法 前瞻性招募2020年10月至2022年2月临床怀疑原发性肝癌患者,共109例。采用飞利浦3.0 T MRI设备进行扫描,分别采集T1WI、T2WI、弥散加权成像、酰胺质子转移加权(amide proton transfer weighted,APTw)及多期增强图像。机器自动生成经过B0校正的肝脏APTw图像。计算3D-APTw成像的扫描成功率及计算成功率。采用Kendall一致性系数对观察者内及观察者间主观评分进行一致性分析,对主观评分3分以上的病例测量3D-APTw图像的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)、肿瘤对比噪声比(contrast-to-noise ratio,CNR)、肿瘤及肝实质的APTw值并计算各参数值的变异系数,采用组内相关系数进行观察者内及观察者间可重复性测量的一致性分析。结果 109例患者中有11例患者3D-APTw图像中病变区域存在信号缺失,扫描成功率为89.91%(98/109),剩余98例患者中78例3D-APTw图像的主观评分为3分以上,计算成功率为71.56%(78/109)。观察者内及观察者间图像质量主观评分一致性分别为0.771和0.692,P<0.01。肿瘤组织APTw值观察者内及观察者间ICC分别为0.822和0.811,肝实质APTw值、SNR及CNR观察者ICC分别为0.675、0.634、0.666,肝实质APTw值、SNR及CNR观察者间ICC分别为0.614、0.290、0.560。肿瘤组织APTw值高于肝实质[(2.55±0.08)%vs.(1.45±0.07)%],两者间差异有统计学意义(P<0.001)。肿瘤组织和肝实质APTw值的变异系数分别为30.40%和44.40%。SNR和CNR为25.92±18.50和3.35±3.20。SNR变异系数为71.40%,CNR变异系数为90.00%。结论 参数优化后的3D-APTw成像可以用于原发性肝癌的临床扫描,但容易受呼吸运动、胆囊或血管的影响而出现信号缺失或伪影,在参数设置及成像技术上仍有需要改进和提高的空间,以进一步优化其图像质量。

3D氨基质子转移加权成像联合弥散加权成像鉴别良、恶性骨与软组织肿瘤

目的探讨3D氨基质子转移加权成像(APTWI)、弥散加权成像(DWI)及二者联合鉴别良、恶性骨与软组织肿瘤的价值。方法前瞻性对96例骨盆或下肢骨与软组织肿瘤患者采集平扫MRI、APTWI及DWI。分别基于APTWI及DWI获得偏移量为3.5 ppm的非对称性磁化传递率(MTRasym)图及表观弥散系数(ADC)图,测量病灶MTRasym(3.5 ppm)最大值(MTRasym_(max))、均值(MTRasym_(mean))及最小值(MTRasym_(min)),以及ADC最大值(ADC_(max))、均值(ADC_(mean))及最小值(ADC_(min));比较良、恶性肿瘤各参数差异,绘制受试者工作特征曲线,计算曲线下面积(AUC),评估APTWI、DWI及二者联合的鉴别诊断效能。结果96例中,良性41例、恶性55例。恶性肿瘤MTRasym(MTRasym_(max)、MTRasym_(mean)和MTRasym_(min))均明显高于,而ADC(ADC_(max)、ADC_(mean)和ADC_(min))均明显低于良性肿瘤(P均<0.05)。MTRasym_(max)和ADC_(min)鉴别良、恶性肿瘤的AUC分别为0.791和0.873,差异无统计学意义(P=0.122);二者联合的AUC为0.944,高于单一项(P<0.001、P=0.041)。结论APTWI联合DWI鉴别良、恶性骨与软组织肿瘤的效能较高。

我国正常人右肾三维酰胺质子转移成像的影响因素

目的探讨不同年龄、性别及体重指数(BMI)对正常中国人右肾酰胺质子转移加权(APTw)成像的影响。资料与方法前瞻性纳入西安高新医院2021年9月—2022年2月11~80岁健康志愿者182例,按照年龄每10岁为1组,共分7组;按照性别分为男、女2组;按照BMI分为消瘦组、正常组、超重组和肥胖组。采用间歇性屏气方式行右肾轴位3D-APTw成像。分析APTw值与年龄及BMI的相关性,分析不同年龄段、不同BMI组及不同性别间APT值的差异。结果最终纳入131例进行分析。APT值与年龄呈弱正相关(r=0.325,P<0.001)。各年龄段APT值组间分析,差异有统计学意义(F=3.566,P=0.003),11~20岁年龄组APT值[(1.853±0.357)%]低于41~50岁组[(2.387±0.432)%]、51~60岁组[(2.336±0.451)%,P<0.05]。男性APT值[1.980(2.320,1.820)%]低于女性[2.284(2.586,1.825)%;Z=2.301,P=0.021]。APT值与BMI呈极弱正相关(r=0.181,P=0.039)。各BMI组间APT值差异有统计学意义(F=3.265,P=0.024),消瘦组APT值低于正常组、超重组及肥胖组(P<0.05)。结论右肾APT值与年龄和BMI存在一定的相关性,男性APT值低于女性。在3D-APTw的临床应用中,应考虑到年龄、性别及BMI因素对APT值的影响。

质子治疗“三元”增敏模型的提出及分析

为了提高质子治疗的生物学效应,首先在现有质子放射治疗增敏效应的基础上,提出了硼基质子增强放疗的“三元”放疗模式的新方法:即以硼基介质(^(11)B和^(10)B)诱导抵达肿瘤靶区的布拉格峰区低能质子发生质子氢硼聚变反应(p+^(11)B→3α)和热中子俘获(^(10)B+n→^(7)Li^(3+)(0.84 MeV)+^(4)He^(2+)(1.47 MeV)+γ(0.477 MeV))两种核反应,释出高LET的低能α粒子以增强靶区质子剂量的生物效应,从而提高质子治疗的临床效应。然后根据“三元”模型理论基础和研究现状分析了模型的优缺点,最后对“三元”模型进行了总结与展望。