超支化磺化聚芳烯脂肪族酮负载TiO2纳米颗粒增强燃料电池质子交换膜高温质子电导率

燃料电池由于其高功率密度显示出潜在的长期储能、节能高效、噪音低、零污染等优势。最常用的高分子膜是Nafion®，但其具有成本高、性能差等特殊缺点，因此大多数研究者的注意力集中在寻找Nafion的替代者。近年来发展出含氟长链大分子和非氟化聚合物，例如磺化聚醚醚酮(PEEKs)，聚芳烯(PAs)、聚砜和聚酰亚胺(PI)。它的优势成本低，耐化学性好，机械性能好的力量。此外，不含氟聚合物可以通过引入-SO3来增强质子输运能力。

印度蒂鲁瓦鲁瓦大学化学系Kannaiyan Dinakaran合成了一种新型超支化磺化聚芳烯脂肪族酮(HB-SPAAK)，并将其与纳米二氧化钛负载，以获得用于热稳定质子导电电解质膜燃料电池(PEMFC)的HB-SPAAK/TiO2纳米复合材料。以三氟甲烷磺酸为催化剂，不同脂肪酸和芳香族酸同时失水缩聚反应合成了HB-SPAAKs。采用FT-IR、H-NMR、SEM和HR-TEM对长链超支化聚合物和TiO2负载纳米复合材料进行了表征。质子电导率(PC)、溶胀率、吸水率和氧化稳定性。

TiO2 NPs和HB-SPAAKs/TiO2纳米复合材料膜的SEM图像清楚地显示了TiO2的球形结构和HB-SPAAKs的多孔结构，孔径为2~50μm。TEM图像显示，TiO2纳米颗粒粒径分布均匀，粒径为100nm。与未改性的HB-SPAAK相比，TiO2负载聚合物纳米复合材料的W/U和S/R值较低，而3% TiO2负载的HB-SPAAKs的质子电导率增加了3倍，为1.439x10-2 Scm-1，比HBSPAAKs (0.41x10-2 Scm-1)增加了3倍，低于Nafion117(80℃时为0.1003 Scm-1)。5% TiO2纳米粒子包埋的HB-SPAAKs纳米复合材料膜也表现出良好的氧化稳定性，降解值为在70℃ Fenton试剂中浸泡8小时，占13.8%。预计HB-SPAAKs在HT下的质子导电性将比Nafion 117表现出更好的性能优势。

图1. 超支化磺化聚芳烯酮的合成

图2. HB-SPAAKs复合膜中质子转移示意图

文献来源：Theerthagiri Senthil, Peethambaram Prabukanthan, Deivanayagam Paradesi, Kannaiyan Dinakaran*. J. Appl. Polym. Sci. 2023, e53737.