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天津大學(xué)成功制備出一種新穎的取向型復(fù)合質(zhì)子交換膜
【摘要】：
據(jù)天津大學(xué)新聞網(wǎng)2019年2月22日訊 天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室外籍教授邁克爾·蓋佛（Michael D. Guiver）與尹燕副教授合作，成功制備出了一種新穎的取向型復(fù)合質(zhì)子交換膜。該質(zhì)子交換膜具有在膜的透過(guò)面方向定向排列的質(zhì)子通道，極大地提高了質(zhì)子交換膜燃料電池的功率輸出。同時(shí)，這種復(fù)合質(zhì)子交換膜具有優(yōu)異的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性，可以在苛刻的電池運(yùn)行條件下長(zhǎng)期使用。相關(guān)成果以題為“Magnetic field alignment of stable proton-conducting channels in an electrolyte membrane”的論文，于2019年2月19日在 《自然－通訊》 （《Nature Communications》）上在線發(fā)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(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心和天津工業(yè)大學(xué)省部共建分離膜與膜過(guò)程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為合作單位。
在質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過(guò)程中，質(zhì)子沿膜的厚度方向從陽(yáng)極到達(dá)陰極參與反應(yīng)。因此，電池性能受質(zhì)子交換膜在透過(guò)面方向電導(dǎo)率的影響較大，而與膜的平行面方向電導(dǎo)率的關(guān)系較小。邁克爾·蓋佛教授與尹燕副教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)磁場(chǎng)輔助的溶液澆鑄制膜法，利用鐵氰配位聚合物和磷鎢酸形成的順磁性復(fù)合體，在質(zhì)子交換膜的透過(guò)面方向構(gòu)建了取向型短路徑高效質(zhì)子傳輸通道?？上驳氖牵ㄟ^(guò)鐵氰配位聚合物和磷鎢酸的復(fù)合，該制膜方法同時(shí)解決了水溶性的磷鎢酸在聚合物基體中容易滲出的科學(xué)難題。
天津大學(xué)成功制備出一種新穎的取向型復(fù)合質(zhì)子交換膜
左圖：通過(guò)磁場(chǎng)構(gòu)建沿質(zhì)子交換膜透過(guò)面方向排列的高效質(zhì)子傳輸通道，磷鎢酸系于配位聚合物分子鏈上。
右圖：沿膜透過(guò)面方向排列的質(zhì)子通道的透射電子顯微鏡影像（標(biāo)尺長(zhǎng)度5納米）。
此外，通過(guò)鐵氰配位聚合物中鐵氰基團(tuán)的氧化還原循環(huán)，該質(zhì)子交換膜能夠在電池運(yùn)行中不斷消耗系統(tǒng)內(nèi)的自由基，使得膜的應(yīng)用耐久性得到提升。與現(xiàn)有的其他碳?xì)湎蒂|(zhì)子交換膜和作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Nafion 212膜相比，這種取向型質(zhì)子交換膜在質(zhì)子電導(dǎo)率、燃料電池能量輸出和使用壽命方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)和潛力。
（Open access原文鏈接：http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-08622-2）