磷酸酸-粘土电解质增强聚苯并咪唑膜实现高性能燃料电池

来自某研究团队的研究人员针对磷酸(PA)掺杂聚苯并咪唑质子交换膜长期面临的酸浸出、塑化效应及关键组分中毒等问题，开发了一种新型固态质子导体PA@HNTs（磷酸酸-粘土电解质）。该材料构建了3D质子传导网络，在180°C/0% RH下实现85.81 mS cm?1的卓越质子电导率。复合膜在宽温域燃料电池中展现出应用潜力。

　　

过去几十年，磷酸(PA)掺杂聚苯并咪唑(PBI)质子交换膜的发展一直进展缓慢，主要受限于PA浸出、塑化效应以及游离PA对关键组分的毒化等问题。如今，一种新型固态质子导体——磷酸酸-粘土电解质(PA@halloysite nanotubes, PA@HNTs)被提出，该材料具有三维质子传导网络，可部分替代液态PA，从而缓解酸浸出问题。

PA@HNTs与PA之间表现出强烈的相互作用（接近PA–PA结合能），在180°C/0%相对湿度(RH)条件下实现了高达85.81 mS cm^?1的卓越质子传导率。研究人员通过原位聚合法将PA@HNTs引入接枝型聚(2,5-苯并咪唑)(g-ABPBI)中，成功制备出高性能复合膜。当PA@HNTs含量为5 wt.%时，复合膜在90°C/98% RH和180°C/0% RH条件下的质子传导率分别达到0.080 S cm^?1和0.127 S cm^?1。

这一优异性能归因于PA@HNTs中所含的大量PA形成了致密的氢键网络，通过“堆积酸机制（packed-acid mechanism）”与“Grotthuss机制”的协同作用，实现了超快质子传输。PA@HNTs/g-ABPBI复合膜为宽温区燃料电池的运行提供了一种极具前景的新策略。