用功能化的PU@PAN/UiO-66纳米纤维构建三维质子导电网络,用于质子交换膜

科学领域:

• 材料科学 材料科学 材料科学
• 电化学 电化学 电化学
• 化学工程是化学工程的重要组成部分.

背景情况:

• 质子交换膜 (PEMs) 对燃料电池效率至关重要.
• 设计具有可调节孔隙和高表面积的PEM是先进燃料电池应用的关键.
• 目前的PEM面临着质子导电性,甲醇透性和机械强度之间的权衡.

研究的目的:

• 设计一种新型的纳米纤维 (NF) 结构,添加金属有机框架 (MOFs) 来增强PEM中的质子导电.
• 创建一个协同架构,提高质子导电性,同时减少甲醇交叉.
• 开发一种复合膜,克服传统PEMs的局限性.

主要方法:

• 用MOF (UiO-66-COOH) 合的协同架构制造了一种新型NF结构.
• 使用聚乙烯罗立溶解,聚烯二化水解和硫酸处理,对NF外层的功能化.
• 复合膜的特性,包括质子导电性,甲醇透性和机械稳定性.
• 利用密度函数理论 (DFT) 来研究质子转移机制.

主要成果:

• 复合膜 (Nafion/S@NF-50) 在80°C和100%的RH下实现了高质子导电率 (0.212 S cm-1).
• 显著抑制了甲醇的透性 (0.66 × 10−7 cm2 s−1).
• 在直接甲醇燃料电池中证明了最大功率密度为182.6 mW cm−2.
• DFT证实了硫酸在低激活能障碍 (0.337 kcal无水,0.081 kcal水) 的质子转移中的关键作用.

结论:

• 新的NF复合膜有效地克服了质子导电性,甲醇透性和机械稳定性之间的权衡.
• 协同架构和硫酸功能的功能是增强质子导电的关键.
• 本研究提出了一种新策略,用于合成先进的NF复合PEM,以提高燃料电池性能.