磁场取向型高效耐久有机-无机复合质子交换膜的制备与研究

The through-plane oriented proton-conducting channels with low tortuosity, good connection and short pathway in proton exchange membranes are able to substantially improve the power output of proton exchange membrane fuel cells. To construct such ideal proton-conducting channels in proton exchange membranes, the present proposal intends to modify the inorganic fillers with high specific surface area and long range continuity using three sequential processes, that are, the electrodeposition of prussian blue analogue, the adsorption of polydopamine and the chemical connection of proton-conducting portion, thereby endowing the modified filler with both magnetic responsive ability and proton conducive function. After dissolving the modified filler and polymer matrix in solvent, a magnetic assisted solution casting method is utilized to fabricate the through-plane oriented organic-inorganic composite proton exchange membranes. The polydopamine coating introduced during modification process contains large-amount even-distributed hydroxyl groups, and concurrently possesses antioxidative capability, which are beneficial to enhance the modification uniformity of the proton-conducting portion and the practical durability of the composite membrane, respectively. Therefore, the attempted through-plane oriented organic-inorganic composite proton exchange membranes in this proposal are promising to simultaneously improve the power output and service lifetime of proton exchange membrane fuel cells, providing scientific basis for developing novel efficient and durable proton exchange membranes, which is of important theoretical significance and practical availability.

质子交换膜中沿膜的透过面方向取向的曲折度低、连通性好、传输路径短的质子通道，能够大幅度提高质子交换膜燃料电池的功率输出。为在质子交换膜中构建这种理想的质子传导通道，本项目拟对具有高比表面积及长程连续性的一维、二维无机填料进行三步表面改性，即普鲁士蓝类似物的电沉积、聚多巴胺的吸附和质子传导组分的化学连接，使无机填料同时具有磁响应能力与质子传导能力。将改性填料与聚合物基体溶于溶剂，利用磁场辅助的溶液浇铸法制备透过面取向型有机-无机复合质子交换膜。在无机填料改性过程中引入的聚多巴胺涂层含有大量均匀分布的羟基，且具有抗氧化能力，有助于提高质子传导组分在改性填料表面分布的均匀性以及复合膜的应用耐久性。因此，本项目拟制备的透过面取向型有机-无机复合质子交换膜有望同时提高质子交换膜燃料电池的功率输出和使用寿命，为开发新型高效耐久的质子交换膜提供科学依据，具有重要的理论意义和实用价值。

质子交换膜燃料电池具有能量效率高、启动快速、无污染、安静等优点，被广泛视为最有前途的清洁能源利用方式之一。在质子交换膜燃料电池的实际运行中，质子从阳极产生后必须经过质子交换膜透过面方向的传导达到阴极，才能真正转化为电池的功率输出。因此，质子交换膜中的质子传导在透过面方向比面内方向更为重要。本项目通过对无机填料进行特定设计的表面改性，使其同时获得磁响应能力与质子传导能力。利用磁场辅助溶液浇铸的成膜过程，制备了具有透过面取向质子传输通道的复合质子交换膜。同时，与以往复合质子交换膜的研究相比，填料改性过程中引入的具有均匀分布羟基及抗氧化能力的聚多巴胺涂层，提高了填料的改性均匀性与复合质子交换膜的应用耐久性。该项目为开发新型高效耐久的质子交换膜材料提供了指导思路与科学依据。从燃料电池整体的角度出发，基于质子交换膜的结构与性能优化这一主线，本项目对燃料电池的其他相关组分也进行了同步匹配的改进研究，包括催化层、气体扩散层及操作系统，以追求燃料电池性能提升的最大效果。此外，由于质子交换膜也可以用于电解水制氢，同时很多其他膜相关领域也对特定方向的传质有明显偏好，如气体分离、水处理、透析、电池隔膜，因此本项目对这些研究方向同样具有借鉴意义。在本项目执行的1年内（2021年1月~2021年12月），资助发表SCIE论文8篇，其中SCIE一区论文6篇，包括Nature Energy, Applied Catalysis B: Environmental, Journal of Materials Chemistry A等有国际影响力的期刊，另有多篇相关研究论文正在投稿或准备中。申请中国发明专利2项，美国、日本、韩国发明专利各1项。培养博士研究生1名，硕士研究生9名。参加国际和国内学术会议2次并做口头报告。