天津大學(xué)機械學(xué)院內(nèi)燃機燃燒學(xué)國家重點實驗室外籍教授邁克爾·蓋佛（Michael D. Guiver音譯）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，這種復(fù)合質(zhì)子交換膜具有優(yōu)異的化學(xué)和機械穩(wěn)定性，可以在苛刻的電池運行條件下長期使用。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程國家重點實驗室為合作單位。
在質(zhì)子交換膜燃料電池的工作過程中，質(zhì)子沿膜的厚度方向從陽極到達陰極參與反應(yīng)。因此，電池性能受質(zhì)子交換膜在透過面方向電導(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隊通過磁場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，通過鐵氰配位聚合物和磷鎢酸的復(fù)合，該制膜方法同時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。
左圖：通過磁場構(gòu)建沿質(zhì)子交換膜透過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：沿膜透過面方向排列的質(zhì)子通道的透射電子顯微鏡影像（標尺長度5納米）。
此外，通過鐵氰配位聚合物中鐵氰基團的氧化還原循環(huán)，該質(zhì)子交換膜能夠在電池運行中不斷消耗系統(tǒng)內(nèi)的自由基，使得膜的應(yīng)用耐久性得到提升。與現(xiàn)有的其他碳氫系質(zhì)子交換膜和作為工業(yè)標準的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)勢和潛力。
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