质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有许多技术优势，包括高能量转换率、清洁度、效率和环境友好性，这引起了研究人员的兴趣。然而，质子交换膜优异的质子传导性和长期耐久性对于高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）至关重要。在此，来自中国科学院的耿康和吕波等人，构建了一种由聚醚砜/聚乙烯吡咯烷酮/氮化硼（PES/PVP/BN）组成的质子交换膜用于燃料电池。与其他相关研究不同的是，这种质子交换膜的原料价格低廉且易获得，制备流程也相较于简单，而且性能相较于市售的Nafion等也要更加出色。

这种PES/PVP/BN复合型质子交换膜的亮点之一：PVP是一种成本低、热稳定性好的树脂，此外，在PVP主链上的含氮杂环对磷酸（PA）分子具有锚定作用，因此可以提高质子交换膜的电导率。但是，PVP具有低强度和较差的成膜性能，因此需要使用高强度和良好的成膜树脂或基膜作为强度载体，即吕波等人将PVP与PES进行共混，来提高成膜率。亮点之二：BN具有类似石墨的层状结构，具有规则堆叠的六边形平面网络，具有明显的质子传导性，质子传导率将随着温度的升高而迅速增加，此外，由于BN中的宽带间隙，BN纳米片显示出优异的电绝缘、机械强度和热性能。不仅如此，在这篇报道中吕波等人发现，PVP可以与PA完全吸附以形成连续的质子传输通道，分散在复合膜中的BN纳米片可以与PA“锚定”，可以长期连续传输网络结构改善质子传输。

通过图1可以看到，在这种复合膜得益于PVP在膜结构中对磷酸分子的吸附作用，磷酸的吸收等级从4.7提升到6.2左右，这为膜的质子传导以及在高温环境中应用于电池奠定了基础。在掺杂BN以后，随着BN含量的增加，质子交换膜的溶胀率也相对降低，当掺杂BN-0.5%时，质子交换膜的磷酸吸收率达到最高值，且尺寸溶胀率相对较为合适。在电导率测试过程中（图2），也呈现相对规律，掺杂BN-0.5%的电导率达到最高，所对应得到活化能也相对较低。图3是将BN-0.5%的质子交换膜应用于电池中所测的单电池性能以及长期稳定性测试，PES–PVP–0.5% BN复合膜显示出最佳的质子传导性（107.42 mS cm−1） 和峰值功率密度（359 mW cm−2）160℃在相同的装置操作条件下。此外，PES–PVP–0.5%BN复合膜在100小时的测试中表现出优异的长期稳定性，证明PES–PVP–BN复合薄膜是HT-PEMFC应用的候选材料。

Fig. 1. ADL and volume SR of PES–PVP–BN composite membranes.

图1：PES–PVP–BN质子交换膜的磷酸吸收率和体积溶胀率

Fig. 2. (a) Proton conductivity of PES–PVP–BN composite membrane (b) the Arrhenius plots of PES–PVP–BN composite membrane.

图2：（a）PES–PVP–BN复合膜的质子传导性（b）PES-PVP–BN复合膜的Arrhenius图。

Fig.3. (a) Polarization curves of PES–PVP–BN composite membrane, (b) durability test of PES–PVP–0.5% BN composite membrane.

图3：（a）PES–PVP–BN复合膜的极化曲线，（b）PES-PVP–0.5%BN复合薄膜的耐久性试验。

以上研究成果发表在Journal of Membrane Science，论文的第一作者是中国科学院的吕波，通讯作者是耿康。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.120512