磷酸硼包覆MWNTs对高磺化度聚醚醚酮质子交换膜的多功能化改性及机理

Sulfonated poly(ether ether ketone) (SPEEK) is currently considered to be one of the most potential candidates of commercial perfluorinated sulfonic acid proton exchange membranes. Although the SPEEK with high sulfonation degree exhibits high proton conductivity, it still has relatively high methanol permeability and low mechanical properties. In this project, to balance the relationship between proton conductivity and methanol barrier and mechanical properties in SPEEK, a novel composite membrane composed of SPEEK and multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) coated by boron phosphate will be prepared. The MWNTs coated by BPO4, which is an inorganic proton conductor with electrical insulation property, can promote the dispersion and interfacial adhesion of MWNTs in the composite membrane, and hereby obviously enhance the mechanical strength, toughness and methanol barrier property of the composite membrane. Moreover, BPO4 coating can effectively reduce the chance of electron transportation in the membrane, and further increase the proton conductivity of the composite membrane. This project will accelerate the process of fuel cells commercialization, and meanwhile, it has very important scientific and theoretical values by investigating the multi-functional modification mechanisms of modified MWNTs on the composite membrane.

磺化聚醚醚酮（SPEEK）是目前最有潜力替代商用全氟磺酸质子交换膜的聚合物之一，提高磺化度是保证其具有高质子传导性的有效手段，但同时也会伴随甲醇阻隔性能的下降和机械性能的劣化。为了克服SPEEK在质子传导率与阻醇及机械性能之间不能平衡的缺陷，本项目采用电绝缘、导质子能力强的磷酸硼包覆多壁碳纳米管（MWNTs）与高磺化度的SPEEK进行复合制备复合质子交换膜，以促进碳纳米管在复合膜中的分散与界面粘接，实现其对复合质子交换膜的增强、增韧和阻隔甲醇的效果，同时磷酸硼的包覆还能有效屏蔽MWNTs在复合膜中可能形成的电子短路，进一步增加复合膜的导质子能力。本项目的实施对加快燃料电池的商业化进程具有十分重要的应用价值，同时，通过探讨改性碳纳米管对复合质子交换膜的增强增韧、质子传导和阻醇机理，具有重要的科学意义和理论价值。

质子交换膜是质子交换膜燃料电池（PEMFCs）和直接甲醇燃料电池（DMFCs）的关键部件，磺化聚醚醚酮（SPEEK）是目前最有潜力替代商用全氟磺酸质子交换膜的聚合物之一，提高磺化度是保证其具有高质子传导性的有效手段，但同时也会伴随甲醇阻隔性能的下降和机械性能的劣化。为了克服 SPEEK 在质子传导率与阻醇及机械性能之间不能平衡的缺陷，本项目提出了采用表面包覆的碳纳米管（CNTs）对SPEEK进行多功能化改性的思路，有三个主要研究内容：二氧化硅包覆CNTs对质子交换膜的多功能化改性研究；无机质子导体包覆CNTs对质子交换膜的多功能化改性研究；离子传导聚合物包覆CNTs对质子交换膜的多功能化改性研究。研究结果表明：表面包覆改性能明显促进CNTs在复合膜中的分散与界面粘接，实现其对复合质子交换膜的增强、增韧和阻隔甲醇的效果；同时，表面包覆层达到一定厚度时，能有效屏蔽CNTs 在复合膜中可能形成的电子短路，进一步增加复合膜的导质子能力。本项目的实施对加快燃料电池的商业化进程具有十分重要的应用价值，同时，通过探讨改性碳纳米管对复合质子交换膜的增强增韧、质子传导和阻醇机理，具有重要的科学意义和理论价值。