增加聚合物电解质膜燃料电池中的质子的导电率

由于聚合物电解质膜燃料电池(polymer electrolyte membrane fuel cells)具有较高的能量转化率,且不排放二氧化碳,所以相关的研究显著增加。这些燃料电池中的关键组件是质子交换膜,该膜作为电解质将质子从一个正极转移到负极。最常见的质子传导聚合物是磺化过氟聚合物(sulfonated perfluoropolymer),如Nafion,但是这种聚合物的使用受较高的生产成本和较低的运行温度所限。为了克服该缺点,研究人员大量研究含磺酸基基团的芳香族聚合物,因为这些物质具有较高的稳定性。如过氟烷基磺酸(perfluoroalkyl sulfonic acid)系统,这些聚合物将磺酸部分作为质子传导基团。

为了寻找质子交换膜的新聚合物材料,Yoshimura and Liebeskind专注于将半方形酸作为质子传导基团。半方形酸是碳氧化物族的芳香组分,根据理论计算(Density function theory, DFT),该物质的分子间的质子交换的能垒较低。

研究人员通过锂化芳香族聚合物和二异丙氧基方酸(diisopropoxy squarate)反应,然后用盐酸处理,将方形酸基团引入芳香族聚合物。包含方酸功能基团(PPSf-SQ, IEC = 4.1 meq•g-1)的聚苯砜在80°C和95%的相对湿度条件下,具有1.0 × 10-1 S•cm-1的质子传导率,这表明半方酸有可能会成为聚合物电解质膜的质子传导基团候选材料。

研究人员认为下一步的研究可以在聚合物骨架和半方酸之间引入间隔物来增加流动性,并进一步证实该理念在燃料电池中的应用,以及半方酸作为质子交换膜中的质子传导基团的优势及其化学稳定性。

K. Yoshimura et al., Macromol. Rapid Commun. 2010; DOI:10.1002/marc.201000223