硫酸化SnO2/SPPESK复合质子交换膜的制备及燃料电池性能

非氟聚合物磺化聚芳醚砜酮（SPPESK）具有甲醇渗透率低、化学、热稳定性高等优点,但其高的电导率需通过提高磺化度获得,导致膜因过度溶胀而失去尺寸稳定性。添加无机纳米颗粒可以有效提高膜性能,但因其表面缺少功能化基团,导致颗粒有机相容性差,阻醇性能和质子传导率不易同时提高。硫酸化改性的纳米颗粒因其表面具有酸性位点和硫酸基团,能够有效克服这一问题。本文制备表面硫酸化改性的SnO₂（SSnO₂）纳米颗粒并引入SPPESK基质制备有机无机复合质子交换膜。当SSnO₂含量不大于7.5%时,纳米颗粒具有良好的有机相容性,可均匀分散于聚合物基质。SSnO₂含量为7.5%时,80℃下复合膜吸水率（19.6%）比SPPESK原膜提高19%,接近Nafion115。颗粒诱导膜内离子簇的聚集扩大,降低了质子的传导阻力,质子传导率分别比SPPESK原膜和Nafion115膜提高48%和30%。同时,纳米颗粒增大了甲醇传递空间位阻,甲醇渗透率较SPPESK原膜和Nafion115膜分别降低46%和71%。直接甲醇燃料电池0.5V处功率密度分别比SPPESK原膜和Nafion115膜高205%和50%。     

静电层层自组装改性SPPESK/PWA质子交换膜

运用直接掺杂法制备的磺化聚芳醚砜酮/磷钨酸(SPPESK/PWA)复合质子交换膜存在PWA流失严重的问题,影响了膜的正常使用。为了解决这一问题,以壳聚糖(CS)和PWA为聚阴阳离子电解质对,对复合膜进行静电层层(LBL)自组装改性研究,对膜的吸水率、溶胀度、质子传导率等性能进行了表征,并测试了膜中PWA的稳定性。经测定,SPPESK/PWA/(CS/PWA)₂的质子传导率达到154mS/cm(80℃),高于相应的SPPESK膜(118mS/cm)及SPPESK/PWA膜(147mS/cm);SPPESK/PWA/(CS/PWA)₄在80℃水中浸泡30天后,膜的质量损失率由18.45%降为11.81%,电导率损失率由32.20%降为16.77%。结果表明,该方法不仅提高了复合膜的质子传导率,并且有效抑制了PWA的流失。