【背景介绍】
质子交换膜燃料电池（PEMFCs）因其低排放和高能量转换效率而备受关注，被视为一种有前途的能量转换设备。它们在多种应用中得到广泛采用，包括汽车运输和固定电源发电。PEMFC中的关键组件是质子交换膜（PEM），它不仅促进从阳极到阴极的质子传输，还防止反应气体混合。目前，商业化的PEM主要基于全氟磺酸（PFSA）膜，例如Nafion®，这些膜以其高质子导电性和长期稳定性而闻名，这得益于它们明确的化学结构，包括碳氟骨架和氟代烷基磺酸侧链。然而，PFSA膜也面临挑战，如高气体渗透性和在低湿度条件下质子导电性的降低。
为了解决这些问题，研究者们探索了磺化烃类聚合物（SHPs）作为PFSA膜的替代品，例如磺化聚（醚醚酮）（SPEEK）和磺化聚（芳基醚硫醚砜）（SPAES）。这些SHPs具有低气体渗透性、高热和机械性能，以及设计多样性等优点。但它们的化学稳定性不如PFSA膜，容易受到PEMFC操作中产生的活性氧物种的降解。为了提高SHP膜的耐久性，研究者们尝试了多种策略，包括掺入无机/有机填料，如自由基稳定剂和氧化石墨烯。特别是，铈3+（Ce3+）离子因其出色的自由基清除能力而显示出作为填料材料的潜力。然而，直接将Ce3+离子掺入聚合物基质可能导致分散不良，影响PEMFC的整体性能。为了解决这个问题，研究者们研究了冠醚-Ce复合物，因为冠醚结构能有效与金属离子配位，减轻质子导电性的恶化。
最近，冠醚功能化的多孔有机聚合物和共价有机框架（COFs）因其在气体储存、催化、传感器和能量存储设备等领域的潜在应用而受到关注。这些材料具有高孔隙率、特定表面积和功能性。研究团队开发了一种新型二维冠醚框架C2O，它通过自缩合卤代荧光素实现了冠醚孔。在这项研究中，研究者尝试将含有Ce3+离子的C2O掺入SPAES基质中，以改善SHP膜的物理化学性能，同时不影响质子导电性。为了解决C2O不含质子传导基团的问题，研究者将高度磺化的聚（芳基硫醚砜）（SATS）接枝到C2O上，形成了SATS–C2O–Ce。本文详细描述了SATS–C2O–Ce及其复合膜的制备方法，并讨论了膜的形态、机械性能、水吸收、尺寸稳定性和质子导电性等特性。此外，还评估了复合膜的膜电极组装在不同操作条件下的电池性能。
【成果简介】
作者提出了一种新策略，用于开发磺化聚（芳基醚硫醚砜）(SPAES)复合膜，该策略可以同时改善烃基膜的物理化学稳定性和质子导电性，用于PEMFC应用。该策略涉及使用磺化聚（芳基硫醚砜）接枝的二维冠醚框架与铈3+离子(SATS–C2O–Ce)作为有前景的填充材料。SATS-C2O是一种高度磺化的聚合物接枝的二维框架，其骨架结构中含有冠醚孔，通过自缩合使用卤代荧光素作为多功能构建单元形成C2O，然后通过缩合使用SATS在边缘接枝磺化聚合物。通过使用水溶性铈溶液的简单掺杂工艺，Ce3+离子直接在SATS-C2O的冠醚孔内配位。含有SATS–C2O–Ce的SPAES复合膜(SPAES/SATS–C2O–Ce)展现出了卓越的尺寸稳定性和机械韧性。与原始SPAES和SPAES/Ce（含有相同量的Ce3+离子但没有SATS-C2O）相比，SPAES/SATS–C2O–Ce的显著化学稳定性归因于Ce3+离子在SPAES基质中的良好分散状态。此外，SPAES/SATS–C2O–Ce的质子导电性超过了原始SPAES、SPAES/C2O和SPAES/Ce，这是由于SATS–C2O–Ce的磺酸基团提供了额外的质子传导通道，以及SPAES的水吸收能力的提高。
【图文导读】
C2O、SATS-C2O和SATS–C2O–Ce的合成
图2.(a) FT-IR, (b) XRD, (c) TGA对C2O和SAT -C2O的测定。纳入FT-IR和TGA或SATS进行或比较。
C2O是通过在120℃下使用TBPG进行自缩合合成的，持续72小时。在作者之前的研究中，使用1,3,5-三氯荧光素（TCPG）作为构建单元开发了C2O，以增强框架的结晶性。然而，当使用TCPG进行C2O合成时，由于其与聚合物基质的相容性问题，导致了分散性差，因为其高结晶性。因此，使用TBPG合成C2O，这是一种比TCPG反应性较低的单体，导致C2O的结晶性降低，随后被用作填料材料。通过多种技术对由TBPG合成的C2O的结构和热性能进行了表征。C2O的XRD分析显示了获得的图案中的特征峰。在大约10°和23°处观察到两个明显的峰，分别对应于0.88 nm的平面反射（100）和堆叠层之间的间距（d-spacing）0.39 nm。在大约2θ= 10°处的峰的存在表明C2O化合物中存在冠醚结构，而在大约2θ= 23°处的峰的检测表明了材料中堆叠层的形成。XRD结果提供了C2O的结构排列和组织的见解，表明由TBPG制备的C2O的结晶性低于由TCPG制备的C2O。通过在77 K下进行N2吸附分析估计了C2O的多孔结构。与由TCPG生产的C2O的N2吸附值相比，由TBPG形成的C2O获得了更大的吸附值，这是由于TBPG的反应性较低，以及使用三乙胺作为基础催化剂，在自缩合过程中不与冠醚框架配位。FT-IR光谱学确认了TBPG转化为C2O的化学转化。在FT-IR光谱中，C2O的芳香醚峰出现在大约1000 cm^-1处，而在TBPG中观察到的-OH和C-Br键的峰在C2O中消失，表明在合成过程中成功去除了这些官能团。使用TGA评估了C2O的热稳定性。TGA热图显示C2O即使在超过240℃的温度下也表现出显著的抗分解能力。这表明C2O具有热稳定性，并表明其在高温PEMFCs中的潜在应用。
图1所示。原理图SAT - C2O - Ce的制备。
根据图1所示的方案合成了SATS-C2O和SATS–C2O–Ce。通过SATS的巯基末端基团与C2O的Br基团之间的亲核芳香取代反应将SATS引入C2O。随后，通过将SATS-C2O浸入水溶性Ce(NO3)3·6H2O中72小时，获得了SATS–C2O–Ce，通过配位Ce3+离子到C2O的冠醚结构中。
通过比较C2O和SATS-C2O的FT-IR光谱来确认SATS-C2O的化学结构（见图2(a)）。在C2O的FT-IR光谱中，观察到特征峰，对应于1594和1438 cm^-1的芳香骨架振动，而不对称的醚键（C-O-C）伸缩振动出现在1248和1143 cm^-1。在C2O改性为SATS后，SATS-C2O的光谱中观察到额外的峰：1055和1227 cm^-1处的峰对应于磺酸基团，1162、1116和1011 cm^-1处的峰对应于低氧化硫状态下的硫醚砜主链（两个νs-o和一个νs-phenyl）。这些光谱差异为SATS成功接枝到C2O提供了清晰的证据。通过XRD分析进一步确认了SATS到C2O的接枝，结果显示堆叠层（001）的衍射峰从2θ= 23°移动到2θ= 21°，堆叠层之间的层间距（d-spacing）从0.39增加到0.42 nm（见图2(b)）。这些XRD结果支持了C2O在接枝SATS后的的结构改性。使用CHNS元素分析仪通过比较C2O、SATS和SATS-C2O中的特征原子来计算SATS在SATS-C2O中的硫含量（8.6 wt%），这进一步证实了SATS成功引入C2O。基于元素分析，SATS-C2O中SATS的重量含量计算为41.4%。C2O、SATS和SATS-C2O在TGA热图中直到700℃的重量损失分别为57.5%、44.4%和51.7%（见图2(c)）。从TGA曲线计算的SATS在SATS-C2O中的重量含量为44.2%，与元素分析得到的SATS含量（41.4%）非常吻合。
图3。(a) C2O、SAT -C2O和SAT -C2O - Ce的XPS光谱。(b) SATS-C2O的s2p XPS光谱。(c) SATs - C2O - Ce的三维XPS光谱。(d) FT-IR光谱SAT - C2O和SAT - C2O - Ce。
图3(a)展示了C2O、SATS-C2O和SATS–C2O–Ce的XPS谱图。C2O的谱图显示出在70.1和183.1 eV处的Br 3d和3p峰，表明C2O中存在Br基团，以及C和O的峰。SATS-C2O的谱图揭示了一个新的S 2p峰在168 eV处，还有两个额外的峰在167.8和169.0 eV处，分别对应于高度氧化硫状态下的C–SO2和C–SO3的S 2p3/2和S 2p1/2（见图3(b)）。此外，观察到在163.3和164.6 eV处的两个峰，被分配给较低氧化硫状态下的硫醚（C–S–C）的S 2p3/2和S 2p1/2。在SATS–C2O–Ce的谱图中，观察到特征的Ce 3d3/2和Ce 3d5/2峰分别在903.2和884.9 eV处（见图3(c)），这些峰对应于氧化态的Ce物种，与先前的研究一致，证实了Ce3+离子与SATS-C2O的成功配位。SATS–C2O–Ce的FT-IR谱图揭示了在557和520 cm^-1处的Ce–O相互作用的特征峰，这也支持了Ce3+离子与SATS-C2O的配位（见图3(d)）。使用ICP-AES测定的SATS–C2O–Ce复合物中Ce3+的含量大约为5 wt%，这与能量色散X射线光谱（EDS）和XPS的结果相符，如表S2所总结。
复合膜的形态和机械性能
图4所示。SPAES复合膜的纵向（上）和横向（下）扫描电镜图像：(a)原始的SPAES，(b) SPAES/ C2O -3.0, (c) SPAES/ SAT - C2O - Ce(d) SPAES/ SAT - C2O - Ce -3.0和(e) SPAES/ SAT - C2O - Ce -5.0。标尺尺寸为1μm。圆圈表示聚集的域。
纳米填料在聚合物基质中有效的分散对于提高复合膜的机械性能至关重要。通过分析复合膜的表面和横截面SEM图像，评估了纳米填料的内部形态和分散状态（见图4）。原始SPAES的SEM图像显示了光滑且均匀的表面和横截面，没有裂纹或针孔等缺陷。然而，含有不同含量C2O和SATS–C2O–Ce的SPAES复合膜的横截面图像显示出更粗糙的横截面，存在皱纹和/或聚集域。这些特征可以归因于C2O衍生物与SPAES基质之间的相互作用。比较SPAES/C2O-3.0和SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0，两者具有相同的填料含量，观察到聚集域的存在有显著差异。在用未改性的C2O制备的SPAES/C2O-3.0中，观察到表明填料分散不充分的聚集域。相比之下，SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0显示出均匀的形态，没有填料聚集。这种改善的相容性可以归因于SATS具有与SPAES相似的结构，被接枝到C2O上。特别是，SATS的磺酸基团有效地促进了界面相容性，导致SATS–C2O–Ce填料在SPAES基质中分散性增强。
然而，需要注意的是，当SATS–C2O–Ce含量超过5 wt%时，表面和横截面SEM图像中都观察到聚集域。这表明尽管填料具有与聚合物基质相似的结构，但在基质中有效分散的填料含量是有限的。超过这个限制，增加的填料含量可能导致聚集和非均匀形态，可能影响复合膜的机械性能。
使用万能试验机在室温和45%相对湿度下评估了SPAES复合膜的机械性能（表1）。C2O基填料的加入提高了膜的机械强度，包括拉伸强度和杨氏模量。这种增强可以通过填料具有强芳香网络结构以及与SPAES基质通过分子间氢键相互作用来解释。比较SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0和SPAES/C2O-3.0，两者具有相同的填料含量，SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0显示出更大的断裂伸长率以及增加的机械强度。例如，SPAES/C2O-3.0的拉伸强度和断裂伸长率分别为81.4 MPa和14.7%，而SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0分别为84.2 MPa和20.0%。这可以归因于填料在聚合物基质中有效分散的增韧效果。SPAES基质和SATS–C2O–Ce之间的特定界面相互作用，如磺酸基团之间的氢键，同时促进了折叠链的展开和在施加拉伸载荷时牺牲键的断裂。然而，SPAES/SATS–C2O–Ce-5.0的机械性能不如SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0。这种现象可以归因于填料在复合膜中的聚集域，它们作为缺陷并降低了膜的机械韧性。复合膜的热稳定性通过TGA评估。复合膜的降解温度超过了300℃，表明其在PEMFCs应用中具有足够的热稳定性。
水吸收和膨胀比
图5所示。(a)吸水率和(b) SPAES复合膜的溶胀率在不同温度下。
在不同温度下测量膜的水吸收和膨胀比（见图5(a)）。SPAES/SATS–C2O–Ce-X的水吸收行为优于原始SPAES。具体而言，在80℃下，SPAES/SATS–C2O–Ce-1.0、SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0、SPAES/SATS–C2O–Ce-5.0和原始SPAES的水吸收值分别为60.2%、84.4%、72.2%和50.1%。水吸收的增加归因于C2O中高度磺化的SATS增强了复合膜的亲水性。相反，C2O的引入导致缺乏亲水磺酸基团，导致SPAES/C2O-3.0的亲水性降低，水吸收值为43.0%。C2O的疏水特性限制了其与水分子的相互作用，从而导致相应膜的水吸收值较低。尽管在SPAES/SATS–C2O–Ce-5.0中存在较大量的亲水SATS–C2O–Ce填料，但水吸收值小于SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0。这种水吸收的减少归因于填料在聚合物基质中的聚集，阻碍了亲水通道的形成，限制了有效的水吸收，这在之前的研究中已有报道。
膜的膨胀比表现出与水吸收相似的趋势，因为膜的体积膨胀直接受到亲水基团的影响。然而，值得注意的是，尽管具有更大的水吸收值，所有复合膜的膨胀比均小于原始SPAES（见图5(b)）。在80℃下，SPAES/SATS–C2O–Ce-1.0、SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0、SPAES/SATS–C2O–Ce-5.0和原始SPAES的膨胀比分别为73.6%、79.4%、76.4%和85.7%。这种现象可以归因于SPAES基质和填料之间形成的强氢键网络，有效限制了膜的体积膨胀。此外，SATS和SPAES基质之间的强界面相互作用导致的链纠缠可能进一步通过防止因松散结合的水分子引起的过度膨胀来改善膜的尺寸稳定性。
化学稳定性和质子导电性
图6所示。(a) SPAES复合材料的化学稳定性和(b)质子电导率80℃下的膜。
膜的化学稳定性通过确定膜在Fenton试剂（4 ppm Fe2+在3 wt% H2O2水溶液中）中分解成碎片（τ1）和完全溶解（τ2）所需的时间来评估，测试在80℃下进行。尽管由于Ce3+离子相对于膜中其他元素的浓度较低，SEM中的EDS映射没有揭示SPAES/SATS–C2O–Ce-X复合膜中Ce3+含量的变化，但SPAES/SATS–C2O–Ce-X的化学稳定性随着SATS–C2O–Ce含量的增加而显著提高（表1和图6(a)）。例如，原始SPAES的τ1和τ2值分别为70和150分钟，而SPAES/SATS–C2O–Ce-1.0、SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0和SPAES/SATS–C2O–Ce-5.0的τ1和τ2值分别为85和165分钟、120和205分钟、130和210分钟。这种改进可以归因于复合膜中Ce3+离子数量的增加，它们通过其氧化还原机制展现出有效的自由基清除能力。Ce离子在三价和四价之间的可逆转变使它们能够清除PEMFC操作期间产生的自由基。
相比之下，SPAES/C2O-3.0没有Ce3+的自由基清除属性，τ1和τ2值分别为65和140分钟，低于原始SPAES。这可以归因于C2O在SPAES基质中分散状态不佳，导致不稳定界面的形成和膜分解的促进，如先前研究所描述。Ce3+分散状态对自由基清除能力的影响进一步通过准备含有与SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0相同量的Ce3+（1500 ppm）但没有SATS-C2O的SPAES/Ce，然后进行Fenton测试来研究。SPAES/Ce的τ1和τ2值分别为75和155分钟，远低于SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的120和205分钟。这一结果表明，聚合物基质中自由基清除剂的分散状态对其在分解环境中的自由基清除能力至关重要。
图7所示。(a) SPAES/ SAT - C2O - Ce - x中质子传导示意图。透射电镜图像(b)原始的SPAES和(c) SPAES/ SAT - C2O - Ce -3.0。
在80℃下，不同相对湿度（RH）条件下，从40%到90%，测量了膜的质子导电性（见图6(b)和表S3）。SPAES/SATS–C2O–Ce-X的导电性值在所有RH范围内都大于原始SPAES。这种质子导电性的增加可以归因于几个因素。首先，SATS–C2O–Ce填料的存在构建了膜内额外的氢键网络，促进了质子传输。其次，SATS–C2O–Ce中的一些亲水磺酸基团，即使它们不能直接与SPAES基质形成氢键网络，仍然有助于增加水吸收，促进质子传导，并进一步增强膜的质子导电性。第三，SATS–C2O–Ce与SPAES基质之间的良好相容性有效降低了质子传输的障碍（即活化能），如图7(a)所示。这种改进的相容性允许在膜内更容易和更快的质子传输，导致更大的质子导电性。因此，随着SATS–C2O–Ce填料含量的增加，复合膜的质子导电性得到改善，直到3 wt%。然而，当SATS–C2O–Ce含量超过3.0 wt%（例如，SPAES/SATS–C2O–Ce-5.0）时，质子导电性值降低。这种减少可以归因于SATS–C2O–Ce填料的分散不良或聚集，这破坏了亲水通道的形成（如SEM图像所示，见图4）并限制了质子传输。相比之下，SPAES/C2O-3.0由于引入了没有亲水和质子传导磺酸基团的C2O，显示出比原始SPAES更小的质子导电性值。此外，直接将Ce3+离子掺入PEM系统已知会降低质子导电性，因为磺酸基团和Ce3+离子之间的配位反应抑制了通过磺酸基团的质子传导。正如图6(b)所示，尽管SPAES/Ce含有与SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0相同量的Ce3+（1500 ppm），但其质子导电性显著低于SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0，这归因于SPAES基质中Ce3+离子和磺酸根阴离子之间通过配位反应形成的离子复合物。然而，本研究中制备的SPAES/SATS–C2O–Ce-X展现出了比原始SPAES、SPAES/C2O和SPAES/Ce更优异的质子导电性和增强的化学稳定性。这是通过引入Ce3+离子的形式实现的，即SATS–C2O–Ce复合物，其中Ce3+和磺酸根阴离子之间的配位相互作用被SATS-C2O中的冠醚结构阻碍。获得的SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的质子导电性值优于或可与最近报道的磺化烃基复合膜相媲美（表S4）。为了支持复合膜的改进质子传导，比较了原始SPAES和SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0在25℃和80℃下100% RH以及50% RH下的温度范围从30℃到80℃的Arrhenius图的质子有效迁移率。
为了进一步阐明SATS–C2O–Ce-3.0的高质子导电性，对原始SPAES和SATS–C2O–Ce-3.0进行了透射电子显微镜（TEM）分析（见图7(b)和(c)）。在TEM图像中，暗域和亮域分别对应于亲水和疏水区域。TEM图像显示，与原始SPAES相比，SATS–C2O–Ce-3.0展现出了发达且更大的离子簇。这些在SATS–C2O–Ce-3.0中定义良好的亲水离子簇为膜内提供了连续且更大的质子传输通道，有助于其高质子导电性。
电池性能
使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的燃料电池被制备出来，并且其电化学性能与使用Nafion® 211和Nafion® 212的燃料电池在65℃下100%和50%相对湿度(RH)条件下进行了比较。在0.6 V下测量的氢气交叉电流密度显示，使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的燃料电池展现了低氢气渗透性，值为0.62 mA cm^-2。这一值低于使用Nafion® 211的0.82 mA cm^-2，并且与使用Nafion® 212的0.61 mA cm^-2相当，尽管后者的膜厚度是前者的两倍。
图8所示。采用Na - <s:1> - 211、Na - <s:1> - 212和SPAES/ SAT - C2O - Ce -3.0的细胞的极化曲线：(a)不经红外校正，(b)经红外校正。奈奎斯特图(c) 0.2 A cm - 2和(d) 1 A cm - 2时的电化学阻抗谱。电化学测量在65℃和100% RH下进行。
图8(a)和(b)显示，在10-200 mA cm^-2的低电流密度范围内，使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0、Nafion® 211和Nafion® 212的燃料电池展现出几乎相同的极化行为，其中激活损失占主导地位。如图8(c)所示，在200 mA cm^-2下的相应Nyquist图也显示出相似的半圆半径，唯一的变化在高频电阻（HFR）。由于所有燃料电池测试都使用了相同的催化剂涂层碳气体扩散层，极化曲线中观察到的差异可以归因于膜的差异，导致欧姆电阻（RΩ）和质量传输电阻（Rm）的差异。特别是，测试的燃料电池之间的Rm差异可以归因于通过膜的质子传输电阻。
随着电流密度的增加，使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的燃料电池在1 A cm^-2下展现出更高的电池电压0.60 V，相比之下，使用Nafion® 211和Nafion® 212的分别为0.57 V和0.55 V。使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的电池的优越性能在1 A cm^-2下的HFR和EIS中得以体现，其显示出比使用Nafion® 211和Nafion® 212的电池更低的RΩ和减少的质子传输电阻。使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的燃料电池在所有测试的电流密度区域中展现出显著较小的HFR，与使用Nafion® 211和Nafion® 212的电池相比。此外，所有测试的燃料电池在中低频率范围内展现出相似的半圆半径，对应于电荷传输电阻（Rc）分别为0.1452Ωcm^-2（SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0）、0.1446Ωcm^-2（Nafion® 211）和0.1529Ωcm^-2（Nafion® 212）（见图8(d)）。然而，使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的电池的Nyquist图在低频率范围内展现出最小的半圆半径，这归因于最低的Rm为0.1619Ωcm^-2。相比之下，使用Nafion® 211和Nafion® 212的燃料电池展现出更高的Rm值，分别为0.2236和0.2248Ωcm^-2。
在50% RH的较低湿度条件下，观察到使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的燃料电池比使用Nafion® 211的电池展现出更高的电压损失，尽管它仍然低于使用Nafion® 212的电池。具体来说，使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的燃料电池在1 A cm^-2下的电压损失为0.31 V，而使用Nafion® 211的为0.39 V。尽管存在这种差异，使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0、Nafion® 211和Nafion® 212的燃料电池的IR-free极化行为实际上是相同的。相应的Nyquist图显示了相似的半圆半径，除了HFR。因此，使用SPAES/SATS–C2O–Ce-3.0的燃料电池在低RH条件下性能下降可以归因于其对湿度变化的更高敏感性，与Nafion® 211和Nafion® 212相比。
【总结】
开发的SPAES复合膜结合了磺化聚（芳基硫醚砜）接枝的二维冠醚框架与Ce3+离子配位（SATS–C2O–Ce），用于PEMFC应用。由于SATS–C2O–Ce中的磺酸基团可以与SPAES基质构建氢键网络，SPAES/SATS–C2O–Ce复合膜展现出比原始SPAES更好的尺寸稳定性，尽管复合膜展现出更大的水吸收值。SPAES/SATS–C2O–Ce相比SPAES/C2O（含有未接枝聚合物的C2O）的更好机械韧性进一步证明了SATS–C2O–Ce与SPAES基质之间形成了有效的氢键网络。此外，由于具有自由基清除能力的Ce3+离子简单地与具有冠醚孔的SATS-C2O配位，SPAES/SATS–C2O–Ce展现出比原始SPAES和SPAES/Ce（含有相同量的Ce3+离子但没有SATS-C2O）更好的化学稳定性，这是由于Ce3+离子在SPAES基质中的良好分散状态。尽管引入Ce3+离子可能会通过与聚合物基质形成离子复合物而降低膜的质子传导行为，但SPAES/SATS–C2O–Ce的质子导电性被发现比原始SPAES、SPAES/C2O和SPAES/Ce更大。这是因为SATS–C2O–Ce上的磺酸基团提供了额外的质子传导通道，并提高了SPAES基质的水吸收能力。因此，使用SPAES/SATS–C2O–Ce的燃料电池在不同操作条件下的电化学性能甚至优于使用商业化PFSA膜的电池。这表明引入具有质子传导和自由基清除属性的多功能填料，如SATS–C2O–Ce，对于开发下一代PEMs用于实际燃料电池应用具有很大的潜力。这些进步有潜力提高PEMFCs的整体性能、耐久性和效率，使它们在各种能量转换设备中更加可行。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123483.
