界面自相容氮化硼/磺化聚芳醚腈无氟质子交换膜及其拓宽的H+传输通道

传统全氟磺酸（PFSA）质子交换膜是质子交换膜燃料电池的核心材料，但其高昂成本及不可生物降解性限制了大规模商业化应用。研究人员提出了一种低成本、易加工的无氟复合膜制备策略，通过将磺化聚芳醚腈（SPEN）共价键合至氮化硼纳米片（BN）表面，制备功能化填料SPEN@BN，并将其引入SPEN基体。该自相容设计显著提升了填料与基体的界面相容性，同时引入额外质子传导位点，依托多种官能团的协同作用构建了连续高效的质子传输路径。与商用Nafion膜相比，SPEN-SPEN@BN-1复合膜在80 ℃下的质子电导率达0.184 S/cm，机械强度达51.05 MPa，复合膜溶胀率较纯SPEN降低32.9%。在催化剂载量为0.5 mg/cm2的H2/O2燃料电池中，峰值功率密度达867.9 mW/cm2，优于商用Nafion 212膜。结果表明，基于自相容策略改性的复合膜在无氟质子交换膜燃料电池中具有良好应用前景，为高性能燃料电池膜材料的开发提供了新途径。

研究背景与意义

质子交换膜燃料电池（PEMFC）因其高效率、零排放及轻量化优势，已成为可持续能源技术的重要方向。质子交换膜（PEM）作为核心部件，承担质子传导、电极隔离及燃料防窜功能。目前广泛应用的Nafion膜由杜邦公司开发，虽具优异质子传导率和化学稳定性，但依赖昂贵全氟磺酸材料，制造工艺复杂，且含难降解氟化骨架，存在环境与成本双重限制。因此，开发低成本、环保型无氟替代材料成为研究重点。磺化芳香族聚合物因机械性能优良、成本低、导电性佳被视为潜在替代材料，其中磺化聚芳醚腈（SPEN）凭借刚性芳香主链获得高热稳定性和机械强度，且加工性好。然而，SPEN缺乏强吸电子基团，难以形成清晰的亲水-疏水微相分离结构，导致低磺化程度时离子通道不连通、导电不足，高磺化程度则引发过度吸水、溶胀加剧、力学性能下降及燃料渗透加速等问题。无机填料改性可缓解上述矛盾，但物理共混常因界面相容性差导致分散不均与团聚，且多数无机颗粒缺乏质子传导官能团，限制了性能提升。基于此，研究人员设计了SPEN接枝氮化硼（SPEN@BN）功能填料，实现基体与填料的自相容，构建高效质子传输网络。该研究发表于《Journal of Membrane Science》。

主要关键技术方法

研究人员采用硅烷偶联剂KH550对氮化硼纳米片（BN）进行氨基功能化，再以其为桥梁将SPEN分子链共价键合于BN表面，制备SPEN@BN杂化填料。随后将其引入SPEN基体，形成无氟自相容复合膜SPEN-SPEN@BN-X系列。通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）与核磁共振氢谱（¹H NMR）表征SPEN结构与接枝效果，结合扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TGA）、力学测试、质子导电率测定及单电池性能评估等方法，系统分析复合材料的结构、稳定性与电化学性能。

研究结果

The characterization of SPEN polymer and SPEN@BN filler

FT-IR光谱显示，SPEN@BN除保留BN特征峰外，在1450-1600 cm^-1出现新吸收带，证实SPEN成功接枝至BN表面，改善了界面相容性。

Conclusions

SPEN@BN填料的均匀分散及多重官能团协同作用，在复合膜内构建了广泛的氢键网络，显著提升质子传导效率。优化后的SPEN-SPEN@BN-1膜兼具高质子电导率（0.184 S/cm，80 ℃）、高机械强度（51.05 MPa）和低溶胀率（较纯SPEN降低32.9%），并在H₂/O₂燃料电池中实现867.9 mW/cm²的峰值功率密度，优于Nafion 212。

讨论与结论翻译

本研究开发了一种基于SPEN的无氟有机-无机复合质子交换膜，采用自相容设计策略制备功能化杂化填料SPEN@BN，实现了无机组分在有机基体中的均匀分散。SPEN@BN丰富的质子传导位点与SPEN基体协同形成广泛的氢键网络，从而建立了连续高效的质子传输通道。该策略有效解决了磺化芳香族聚合物膜在质子传导与机械稳定性之间的权衡问题，为高性能质子交换膜的制备提供了新的改性思路。