燃料电池（FCs），尤其是氢燃料电池，因其预期的高能量密度、零排放以及氢燃料的广泛和可持续供应，在全球范围内获得了越来越多的关注，从政府能源和气候机构、可持续能源研究所到汽车行业。其中，质子交换膜(PEMs)作为FCs的核心部件，既要充当质子导体，又要充当电绝缘体、机械屏障和气体屏障，对多种功能的协同作用提出了很高的要求。目前，用于燃料电池的最先进的Nafion® 全氟磺酸（PFSA）聚合物具有高质子传导性和良好的稳定性，这分别归功于其接枝磺酸基团和全氟化化学结构所形成的渗水通道。此外，为了使薄膜具有良好相分离的质子传导水通道，需要进行复杂且昂贵的加工以减弱PFSA链的物理和化学相互作用。因此，非常需要具有成本效益的无氟聚合物质子交换膜(PEM)。然而，目前已经发展的无氟PEM复杂的制备过程和差的化学稳定性，阻碍了它们作为商业化PFSA PEMs替代品的进一步发展。
近日，华南理工大学殷盼超教授团队采用无机-有机杂化策略通过超分子相互作用将商用无氟聚合物聚乙烯醇丁醛(PVB)与超酸性纳米金属氧簇H3PW12O40 (PW)轻松络合制备的纳米复合材料用作PEM。两种组分之间的强亲和性使得所获得的纳米复合材料具有两亲性，并进一步相分离成具有相互连接的质子传输通道和坚固的聚合物骨架的双连续结构，从而实现了复合材料高的质子电导率，机械/尺寸稳定性和屏障性能，并且装配复合PEM的H2/O2 FC具有良好的功率密度和长期稳定性。有趣的是，由于易于络合的策略和杂化材料优异的力学性能，通过典型的带式铸造技术，可以在具有挑战性的 ~ 10 um厚度下连续大规模制造杂化PEM。这项工作不仅为商用PEM提供了潜在的材料体系，还提高了人们对纳米复合功能材料的研究兴趣。
图1. 纳米复合材料的制备过程和形态特征
图2. 纳米复合材料的结构表征
图3. 复合膜的电化学性能、机械性能和表面特性
图4. 复合膜组装膜电极的H2-O2燃料电池性能测试
这项工作证明了通过超分子组装商用金属氧簇和无氟聚合物制备杂化材料的策略，可以方便、经济地制备出质子电导率、稳定性和可加工性均衡的PEM，并在连续制备金属氧簇基复合PEM方面实现了新的突破。并且，无机-有机杂化纳米复合材料的设计被证实是解决PEM开发过程中关键挑战的可选材料，这为经济高效地制造高性能、坚固耐用的FC器件提供了巨大潜力。
论文信息
Supramolecular Complexation of Metal Oxide Cluster and Non-Fluorinated Polymer for Large-Scale Fabrication of Proton Exchange Membranes for High-Power-Density Fuel Cells
Lu Liu, Aowen Huang, Dr. Junsheng Yang, Jiadong Chen, Kewen Fu, Weigang Sun, Jie Deng, Dr. Jia-Fu Yin, Prof. Dr. Panchao Yin
Angewandte Chemie International Edition
DOI: 10.1002/anie.202318355
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