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。

磺化共价有机框架改性壳聚糖质子交换膜的制备及其性能研究

开发低成本、高性能的质子交换膜电解质对能源转化与存储领域的发展至关重要。将磺化共价有机框架(TPBD-SO_(3)H)引入到壳聚糖(CS)基体中,制备了一系列CS/TPBD-SO_(3)H复合膜,并对其结构与性能进行了表征。结果表明:TPBD-SO_(3)H与CS之间能够产生交联作用,提高了复合膜的热稳定性和机械性能,其中拉伸强度达到了最高的80.2 MPa,与CS膜相比提高了201%;交联作用降低了复合膜的溶胀率,与CS膜相比下降了约40%。TPBD-SO_(3)H的孔道结构以及丰富的磺酸基团起到优化质子传输路径的作用,使复合膜的质子电导率在80℃,95%RH条件下,最高达到了24.7 mS/cm,为CS膜的2倍。

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。

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。

PAN/UiO-66-NH_(2)/Nafion复合纳米纤维质子交换膜制备与性能

氢燃料电池中质子交换膜的质子传导率在低湿度下会急剧降低,且膜在高湿度下还会过度溶胀,成为限制燃料电池应用的因素之一。为平衡二者之间的关系,提高膜的尺寸稳定性,该研究将聚丙烯腈(PAN)纤维和金属-有机框架(MOF)UiO-66-NH_(2)结合,并探究水解时间、反应温度对UiO-66-NH_(2)在PAN纤维上原位生长的影响,制备了MOF功能化的纳米纤维质子交换膜。结果表明:该复合膜质子传导率比PAN/Nafion可最高提升175.36%,60℃时其溶胀率与Nafion相比降低了179.10%,能有效提高尺寸稳定性和机械强度,具有良好的发展前景。

磺化聚苯乙烯/侧链交联型磺化聚芳醚酮砜复合质子交换膜的制备与性能

如何平衡质子交换膜(PEM)的吸水性与尺寸稳定性及质子传导与甲醇渗透之间的关系一直是PEM材料的研究热点.本文通过直接缩聚法合成了含有丙烯基的聚芳醚酮砜共聚物(PAEKS),利用自由基接枝反应将磺化聚苯乙烯(SPS)和苯乙烯磺酸钠通过丙烯基引入到PAEKS中,制备了一系列磺化聚苯乙烯/侧链交联型磺化聚芳醚酮砜交联复合膜cr-SPAEKS-x(其中x代表复合膜中磺酸基团的含量),利用核磁共振波谱及红外光谱对其进行了表征.由扫描电子显微镜照片可见,SPS和苯乙烯磺酸钠在交联复合膜中分布非常均匀,没有发生任何分相现象.交联网络结构的形成提高了膜的热稳定性、氧化稳定性及力学性能.同时其独特的亲/疏水相分离结构和交联网络结构也有效提高了交联复合膜的尺寸稳定性和阻醇性能,80℃时磺酸基团含量最高的cr-SPAEKS-120%膜在高达63.5%的吸水率下溶胀率仅为20.1%,甲醇渗透系数最高为3.47×10^(-7) cm^(2)/s,远低于Nafion117的23.80×10^(-7) cm^(2)/s.独特的链结构形成的亲/疏水相分离结构使得该系列膜具有较好的质子传导性能,cr-SPAEKS-120%膜在20和80℃下的质子传导率分别达到0.043和0.113 S/cm,可见该系列交联复合膜在直接甲醇燃料电池中具有良好的应用前景.

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。

有机/无机纳米复合质子交换膜的研究进展

通过有机 无机复合的方法可以得到聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFCs)中用的纳米复合质子交换膜 ,膜的工作温度、保水能力、机械强度、抗渗透性能和薄膜的综合性能都有大幅度的提高。本文评述了研究得较多的几类有机 无机纳米复合质子交换膜的性能特点及最新研究进展 ,提出了有机 无机复合质子导电薄膜材料的一些设计和制备原则。

PVA-PWA-Al_2O_3无机-有机复合质子交换膜的研究

以聚乙烯醇(PVA)、磷钨酸(PWA)和氧化铝(Al2O3)溶胶为原料,制备得到PVA-PWA-Al2O3无机-有机复合质子交换膜,测定了膜的电导率、含水率、溶胀度和甲醇透过系数等性质.测试结果表明,该复合膜具有较高的导电率和较好的阻醇效果,室温下测得电导率最高达到1.162 S/cm,甲醇透过系数在10-7cm2/s左右.复合膜中PWA含量增加,膜的电导率、含水率、溶胀度和甲醇透过系数都有所上升;膜中Al2O3含量增加,膜的电导率、含水率、溶胀度提高,但甲醇渗透系数稍有下降.

无机-有机复合质子交换膜研究进展

质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心部件之一,它的发展对PEMFC的工业化进程具有十分重要的意义。无机-有机复合质子交换膜是质子交换膜发展的新方向。论文综述了共混法、溶胶-凝胶法、表面修饰法、原位聚合法、穿插法等制备无机-有机复合质子交换膜的方法,并对无机-有机复合膜未来的发展方向进行了展望。

有机-无机复合质子交换膜的制备与界面特性

有机-无机复合质子交换膜的开发是燃料电池用质子交换膜的一个重要研究方向,本文综述了有机-无机复合质子交换膜的制备方法,分析了两相之间的界面特性,并对这种复合膜的研究前景进行了展望。

无机相拓扑结构对有机-无机复合质子交换膜性能的影响综述

作为一种可持续能源转换装置,质子交换膜燃料电池受到了广泛关注。质子交换膜作为其中的核心部件,对提升燃料电池的电化学性能和降低成本起到至关重要的作用。目前,对于单一Nafion膜或非氟有机基质膜存在的燃料穿梭率高和质子传导率对温度或湿度依赖性大等问题,基于有机-无机的复合策略的质子交换膜具有明显改善作用。本文选取三类典型无机添加物,从不断优化添加物自身拓扑结构的角度,对近年来国内外有机-无机复合质子交换膜的研究进展进行了综述,其中,对新兴的金属有机框架(MOF)添加物进行了重点论述;最后,对有机-无机复合质子交换膜的未来发展进行了展望。

二维材料复合质子膜的制备及其氕氚分离性能研究

采用溶液浇铸法分别制备了Graphene-Nafion和hBN-Nafion 2种二维纳米复合质子交换膜,利用XRD､ATR-FT-IR和SEM对复合膜的结构及微观形貌进行表征,并对复合膜的离子交换容量､质子电导率､机械性能和热稳定性进行测试,结果表明,Graphene和hBN纳米片均匀地分散于Nafion基体内部。相较于重铸Nafion膜(空白对照样品),复合膜的离子交换容量､质子电导率以及机械性能均有不同程度的提升,特别是在掺入质量分数为0.50%时,Graphene-Nafion和hBN-Nafion复合膜的质子传导性能约为重铸Nafion膜的1.25倍和1.14倍。通过对比Graphene-Nafion和hBN-Nafion 2种复合膜的氕氚分离性能发现,在初始氚水比活度为3.51×10^(7)Bq/L时,持续电解超过60 h,2种复合膜的氕氚分离系数分别为5.73和8.46,氚回收率分别为78.53%和85.35%,表明hBN-Nafion复合膜具有更好的氕氚分离性能。

膜内掺Pt含量对质子交换膜电解水性能与氢渗透的影响

针对质子交换膜电解水制氢中存在的氢渗透安全隐患,该文通过超声喷涂将纳米Pt颗粒负载到膜上,并经过热压制备掺Pt复合膜,以缓解运行中的氢渗透。在保持膜电极总Pt含量不变的条件下,研究膜内不同掺Pt含量对性能与氢渗透的影响。结果表明,通过超声喷涂和热压成功将纳米Pt颗粒负载到膜中,并有效缓解了氢渗透。随着膜内掺Pt含量的增加,氢渗透通量降低,同时由于阴极Pt含量降低、欧姆损失增大,电解性能呈现逐渐降低的趋势。综合考虑氢渗透和电解性能,最佳的掺Pt含量为0.01 mg/cm^(2),在0.1 A/cm^(2)时,氧中氢含量仅为0.82%,与无Pt复合膜相比,氢渗透降低了50.32%,而电解电压仅增加约20 mV。长时间运行电解电压和氧中氢浓度相对较稳定,氧中氢浓度低于氢气爆炸下限。

Nafion质子交换膜改性的研究进展

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效的能源转换设备,它能够将化学能直接转化为电能,其优点在于转换效率高、启动速度快,因此被广泛应用于交通、便携供电系统等领域。质子交换膜(PEM)是PEMFC的关键材料之一,目前广泛应用的是由美国杜邦公司发明的Nafion膜,但是Nafion膜成本高、低湿度下质子传导性低且甲醇渗透性高。为了克服这些缺点,研究者们开展了大量的改性研究。本综述系统地总结了不同结构组成的无机、有机材料改性Nafion膜的研究进展,通过具体的实例,详细介绍了各种类型改性Nafion膜的性质和性能,包括其质子传导性、燃料渗透性、机械强度等。同时,本综述还展望了改性Nafion膜的发展方向和未来前景,为相关领域的研究提供参考和借鉴。

SPBI/ePTFE质子交换复合膜的制备与性能表征

采用化学法-萘钠溶液对疏水增强聚四氟乙烯(ePTFE)基底改性,往基底孔中填充磺化聚苯并咪唑(SPBI)电解质,通过多次真空抽滤和热处理法制备SPBI/ePTFE-x质子交换复合膜。分别采用红外光谱、扫描电镜、酸碱滴定法、干湿称重法和交流阻抗法等手段考察不同厚度的ePTFE基底对质子交换复合膜微观结构和性能的影响。结果表明:SPBI电解质成功填充于ePTFE基底中,膜表面光滑且致密。基底越厚可填充的SPBI越多,复合膜的IEC随基底ePTFE的厚度增加而增大,吸水率也随之增大。SPBI/ePTFE-5复合膜水平和厚度方向的溶胀度为5.26%和2.41%,说明具有较好的尺寸稳定性。SPBI/ePTFE-5复合膜基底厚度薄,传输质子的路径短,有利于质子间的传递,获得了最佳的质子电导率,在160℃时达到0.18S/cm,表明SPBI/ePTFE-5质子交换复合膜在高温下具有良好的质子传导性能。

基于P_2O_5/SiO_2与磺化聚醚醚酮合成的无机/有机复合质子交换膜

采用溶胶-凝胶法制备P2O5/SiO2溶胶与P2O5/SiO2粉末,之后分别与磺化聚醚醚酮(SPEEK)复合,制得无机/有机复合质子交换膜并研究了两种膜的形貌、力学性能以及质子电导率。与纯SPEEK膜相比,P2O5/SiO2无机成分的引入能显著改善复合膜的质子导电性能。同时,P2O5/SiO2的不同引入方式导致复合膜具有不同的结构,进而引起复合膜力学性能与质子导电性能上的差异。在所制备的无机/有机复合膜中,含有40%P2O5/SiO2(质量分数)粉末的复合膜的质子电导率达到1.6×10-2 S/cm,其所组装的单电池的开路电压为0.95V,峰值功率密度达到446mW/cm2。

SPSU/PWA/SiO_2有机-无机复合质子交换膜的研究

以磺化聚砜(SPSU)、磷钨酸(PWA)和二氧化硅(SiO2)溶胶为原料,制备了一种SPSU/PWA/SiO2有机-无机复合质子交换膜。研究了SiO2对复合膜的抗氧化性、膜内PWA的稳定性、阻醇性、电导率等性能的影响。研究表明:当SiO2掺杂质量分数为2%时,复合膜显示了最佳的性能;80℃下,质子传导率超过Nafion膜,达到0.166S/cm,而甲醇渗透系数约为Nafion117膜的1/10。

染料增强型质子交换膜构建及其传导性能研究

基于磺酸咪唑鎓离子对修饰配体构筑一例新型铜基金属有机框架(Cu-MOF)材料。Cu-MOF与交联聚乙烯醇(CL-PVA)复合后经X-2R活性染料染色处理,得到染色膜CL-PVA@Cu-MOF-15-Y,对其结构、形貌、尺寸稳定性和质子导电率进行表征。试验结果显示,当染色浓度为10%时,膜样品在相对湿度90%和80℃条件下的质子电导率最高为3.7×10^(-2)S/cm,质子传输以Vehicle机制为主导;膜样品各项性能均有不同程度的提升,拉伸强度和断裂伸长率分别为24.2 MPa和230.4%,吸水率和溶胀率分别为120.6%和68.2%。

燃料电池无机-有机复合质子交换膜的研究进展

燃料电池(Fuel Cell)是21世纪最有前途和发展潜力的清洁能源技术之一,质子交换膜(PEM)作为燃料电池的核心部件,对燃料电池的性能起到重要作用。鉴于全氟磺酸质子交换膜在高温低湿工作环境下所存在的缺点,制备低成本、高性能的无机-有机复合质子交换膜是一种有效的解决办法。以制备无机-有机复合质子交换膜的主要无机填料为分类依据,介绍了近年来国内外无机-有机复合质子交换膜的研究现状,综述了各类无机填料与复合质子交换膜的性能之间的关系,展望了无机-有机复合质子交换膜的未来研究方向。