新型取向型復合質子交換膜給燃料電池建高速公路

或許有一天，我們的手機或筆記本電腦的電池不再靠充電而是加“燃料”，待機時間可以數倍增加，性能也會更好。這看起來仿佛有點不可思議，而這種可以隨時隨地添加“燃料”的電池正是關系到國計民生的可再生能源范疇的重點研究方向之一。天津大學機械學院內燃機燃燒學國家重點試驗室外籍教授邁克爾·蓋佛（MichaelD.Guiver）與尹燕副教授的一項研究成果有望將這一設想向前推進。

目前該研究團隊已成功制備出一種新穎的取向型復合質子交換膜，具有在膜的透過面方向定向排列的質子通道。將這種質子交換膜使用于燃料電池時，如同在電池內部構建起一條“高速公路”，實現了質子的短路徑高效傳輸，極大地提高了質子交換膜燃料電池的功率輸出。

人類正處于一個能源變革的時代。燃料電池被譽為繼火力、水力、核動力之后第四代電力開發技術，是一種快捷可靠的能量轉換裝置，可以筆直將燃料的化學能轉化為電能。

近年來，有關質子交換膜燃料電池的研究成果被廣泛使用于日常生活、科技產品、國防建設等諸多方面，如手機和筆記本電腦等便攜式電子設備，電動車，區域發電站，潛艇、航天飛機的電源。質子交換膜燃料電池已經向世界展現出極大的使用價值和開發前景。

質子在交換膜中傳導時，路徑越短越省時，省時意味著高效，高效則連接著成本和性能。如果能夠在質子交換膜內構建沿著膜透過面方向排列的無蜿蜒、短路徑質子通道，質子傳輸的效率就會大幅度提高。受此啟發，與通常制備質子交換膜時使用的溶液澆鑄制膜法不同，邁克爾·蓋佛與尹燕副教授團隊在制膜過程中加入磁場的輔助，利用鐵氰配位聚合物和磷鎢酸形成的順磁性復合體，在質子交換膜的透過面方向構建了取向型短路徑高效質子傳輸通道。

可喜的是，通過鐵氰配位聚合物和磷鎢酸的復合，該制膜辦法同時處理了水溶性的磷鎢酸在聚合物基體中容易滲出的科學難題。

此外，通過鐵氰配位聚合物中鐵氰基團的氧化還原循環，該質子交換膜能夠在電池運行中不斷消耗系統內的自由基，使得膜的使用耐久性得到提升。與現有的其他碳氫系質子交換膜和作為工業標準的Nafion212膜相比，這種取向型質子交換膜在質子電導率、燃料電池能量輸出和使用壽命方面具有更分明的優點和潛力。

相關成果論文于2019年2月19日在《自然-通訊》在線發表。博士后劉鑫為第一作者，邁克爾·蓋佛教授與尹燕副教授為共同通訊作者，天津化學化工協同創新中心和天津工業大學省部共建分離膜與膜過程國家重點試驗室為合作單位。

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