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随着全球能源危机的不断加剧和碳排放问题的日益突出，寻找可持续的清洁能源已成为当务之急。氢能，凭借其高能量密度、广泛的来源及零排放的特点，被视为未来能源发展的理想之选。氢氧燃料电池，作为直接将氢气和氧气转化为电能的装置，对于推动全球能源向可持续方向转型具有重大意义。特别是在高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）领域，其简化的水热管理、加速的氧化反应动力学以及提升的催化剂对一氧化碳（CO）的耐受性，相较于低温质子交换膜燃料电池（LT-PEMFCs），在性能上展现出了显著的优势。
然而，作为HT-PEMFCs核心组件的高温质子交换膜（HT-PEMs），必须具备出色的质子传导性和机械强度，以确保质子的有效传输，并有效隔离氢气和氧气。目前，磷酸掺杂的聚苯并咪唑（PA-PBI）膜被视为HT-PEMs中最具潜力的材料之一，但如何在机械性能和质子传导性之间找到最佳平衡，仍是该领域面临的一项重大挑战。本研究致力于通过设计一种创新的卟啉超交联结构，以应对这一挑战，从而大幅度提升HT-PEMs的整体性能。
研究亮点
本研究中，科研人员成功制备了一种含有丰富卤素基团的卟啉化合物——四溴苯基卟啉（TBPP），并通过超交联反应技术，将其与聚[2,2'-(对二苯醚)-5,5'-苯并咪唑]（OPBI）聚合物结合，创新性地构建了一种具备众多质子传输通道的HT-PEMs。实验数据表明，在高磷酸掺杂条件下，TBPP-OPBI交联膜展现出了卓越的机械强度和质子传导性能。尤为突出的是，TBPP-15-OPBI交联膜在180°C时，其质子传导性高达244 mS cm⁻¹，这一数值是OPBI膜的3.64倍。
此外，基于TBPP-15-OPBI交联膜的氢气/空气燃料电池在160°C且无需加湿和背压的环境下，实现了521.1 mW cm⁻²的峰值功率密度，并表现出超过100小时的持久稳定性。本研究不仅为高性能HT-PEMs的设计提供了一种直观且有效的结构策略，而且有望为HT-PEMFCs技术的进一步发展注入新的活力。
图文解析
图1 展示了OPBI、TBPP-X-OPBI以及磷酸掺杂的TBPP-X-OPBI聚合物的结构和膜的外观。其中，绿色变化是卟啉环在磷酸环境中的质子化典型现象。
图2展示了OPBI膜与TBPP-X-OPBI膜的多种表征结果，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）中N1s的分析、凝胶分数测定以及原子力显微镜（AFM）所获取的图像。这些表征结果共同验证了TBPP的成功嵌入以及超交联结构的成功构建。
图3 展示了膜的磷酸吸附量、体积膨胀比、自由体积分数、XRD模式、磷酸保留率和分子间相互作用能。这些图表揭示了TBPP超交联结构对提高磷酸掺杂量和机械强度的影响
图4呈现了磷酸掺杂膜的质子传导性能、Arrhenius图以及H2PO4-的含量信息。此外，该图还对比了在相同磷酸掺杂水平下，OPBI膜、CuTBPP-15-OPBI膜和TBPP-15-OPBI膜在180°C时的质子传导性，并展示了这些膜的质子传导稳定性。
图5 展示了基于OPBI和TBPP-15-OPBI膜的燃料电池在120°C和160°C下的性能。此外，还展示了基于TBPP-15-OPBI膜的燃料电池在160°C下的开路电压稳定性和长期耐久性。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157550
本文由氢能助手提供
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