摘要：在燃料电池技术领域，高性能质子交换膜（PEM）的研发一直是关键挑战之一。近日，莫纳什大学王焕庭团队的曾玲平博士成功开发出一种全新的超支化互穿氢键网络（HIHBN）质子交换膜，能够在220℃以上高温环境下稳定运行，在提高高分子膜燃料电池技术取得了进展。相关论文以
在燃料电池技术领域，高性能质子交换膜（PEM）的研发一直是关键挑战之一。近日，莫纳什大学王焕庭团队的曾玲平博士成功开发出一种全新的超支化互穿氢键网络（HIHBN）质子交换膜，能够在220℃以上高温环境下稳定运行，在提高高分子膜燃料电池技术取得了进展。相关论文以“Hyperbranched Interpenetrating Hydrogen Bond Network (HIHBN) Proton Exchange Membrane for Fuel Cells Above 220 °C”为题发表于《Advanced Functional Materials》。
论文创新之处在于：
✅超支化高分子结构—— 采用超支化聚（联苯-三蝶烯）（PBT）作为其中一相，其特殊的三维网络结构大幅提高了膜的玻璃化转变温度（>400℃），确保在高温下保持稳定。✅双氢键网络助力质子传导—— 通过SnP27纳米颗粒与PBT协同作用，在磷酸作用下形成独特的互穿氢键网络，构建高效的质子传输通道。 ✅优异传导能力—— 该膜在220℃干燥条件下的垂直面方向质子传导率达到0.108 S/cm。✅燃料电池性能优越—— 该膜在220℃条件下可实现0.75 W/cm²峰值功率密度，且在33小时的测试后仍保持稳定。图1. xwt%HIHBN-PBT-SnPA 膜的制备示意图
如图1所示，采用原位溶胶-凝胶法将SnP27纳米颗粒均匀分散在PBT基体中。制备过程中，膜先浸泡在磷酸溶液中，PBT聚合物链与磷酸（PA）分子通过O-H···O氢键结合，形成连续质子传输通道，SnPA纳米颗粒表面与PA形成强氢键，进一步提升质子跳跃效率。形成PBT-PA和SnPA-PA两种氢键网络，得到具有双氢键网络的HIHBN膜，从而提升质子传导性。在玻璃化转变温度Tg测试中（图2c），动态热机械分析（DMA）显示，PBT的Tg高达400℃以上，确保膜在高温环境下的热稳定性。同时，FTIR光谱（图2e）中O-H伸缩振动峰的红移证明了稳定氢键网络的形成，将进一步增强膜的质子传导能力。这一结论在质子传导率测试中得到了证实。
图 3：x wt%HIHBN-PBT-SnPA膜的基本特性：a) 垂直面质子传导率与温度的关系；b) 室温下的拉伸强度曲线（未掺杂 PA）；c) x wt%IHHBN-PBT-SnPA膜的膨胀率（掺杂PA）和TGA曲线（未掺杂PA）。
质子传导率随温度变化而变化（图3a），其中50 wt% HIHBN-PBT-SnPA膜在220℃达到0.108 S/cm，其传导率在120℃到220℃范围内保持稳定，表明其在高温环境下仍具备优异的质子传导能力。热重分析（TGA）（图3d）显示，该膜在400℃以下无明显质量损失，表现出卓越的高温稳定性。最后，综合性能最佳的膜被应用于燃料电池测试。
图4. 燃料电池性能测试。a) 50 wt% HIHBN-PBT-SnPA膜在Pt/C催化剂负载0.5 mg/cm²条件下的H₂/O₂单电池性能；b) 50 wt% HIHBN-PBT-SnPA膜在Pt/C催化剂负载1.0 mg/cm²条件下的H₂/O₂单电池性能。c) 在220°C条件下，50 wt% HIHBN-PBT-SnPA膜与PBI/PA膜在Pt/C催化剂负载1.0 mg/cm²时的H₂/O₂单电池性能对比。d) 在200°C下，以0.6 V恒定电压进行50 wt% HIHBN-PBT-SnPA膜和PBI/PA膜燃料电池的耐久性测试。测试条件：无背压，H₂和O₂流速均为60 ccm。
50 wt% HIHBN膜在220℃干燥H22条件下，Pt/C催化剂负载0.5 mg/cm²时，峰值功率密度达0.52 W/cm²。Pt/C催化剂负载1.0 mg/cm²时，峰值功率密度达0.75 W/cm²，高于PBI膜（图4c）。在200℃连续运行33小时后，传统PBI/PA膜在10小时内电流密度下降达24%，而HIHBN膜的电流密度下降不到4%，显示出明显的稳定性优势（图4d）。为什么这一工作重要？
🚀 推动燃料电池高温化进程—— 高温燃料电池具有更好的抗一氧化碳中毒能力，并减少对水管理的需求，使系统设计更简单。🔬提高燃料电池寿命与稳定性—— 该膜在高温下展现出优异的耐久性，适用于更复杂的工业环境。🌱助力清洁能源发展—— 该燃料电池具有在交通、航天等领域有广泛的应用前景。
展望
随着该技术的进一步优化，期待HIHBN质子交换膜在未来能广泛应用于高温燃料电池，助力绿色能源革命！
来源：高分子科学前沿