"笼式"限域复合膜：基于天然芦苇多层生物膜构建的高性能质子交换膜助力燃料电池发展

这篇研究创新性地利用天然芦苇膜(RM)构建了"三明治"结构复合质子交换膜(PEM)，通过原位生长CeO2抑制自由基、层状"笼式"结构固定二苯基磷酸酯(DPHP)，协同实现"载体机制"和"Grotthuss机制"质子传输。该膜在80℃下质子电导率达96 mS·cm-1，峰值功率密度508 mW·cm-2，且Nafion用量减少70%，为开发低成本、高耐久性生物质PEMs提供了新范式。

　　

亮点

本研究开发了一种基于天然芦苇多层膜(RM)的"三明治"结构复合质子交换膜(PEM)，通过创新性的"笼式"限域设计，实现了高性能与低成本的完美平衡。

结论

本研究成功开发了基于多层天然芦苇膜(RM)的复合质子交换膜(RM/CeO₂/DPHP/Nafion)。通过二氧化铈(CeO₂)纳米颗粒的原位负载策略和二苯基磷酸酯(DPHP)的氢键介导功能化方法，实现了性能与成本的协同优化。二氧化铈纳米颗粒通过羟基的静电吸附均匀固定在纤维素表面，而DPHP则通过"笼式"层状结构被有效限域，确保其不被溶解。这种独特设计使得质子传输过程中"载体机制"和"Grotthuss机制"能够和谐共存。此外，通过超声喷涂Nafion形成的致密保护层进一步提升了膜性能。实验结果表明，该复合膜在80℃、100%湿度条件下实现了96 mS·cm^-1的质子电导率，化学降解保留率高达95.7%，机械强度显著提升至40 MPa。在燃料电池测试中，复合膜在80℃下达到了508 mW·cm^-2的峰值功率密度，超越了现有纤维素基质子膜。加速应力测试(AST)显示该膜具有优异的化学耐久性(开路电压衰减率仅1.05 mV/h)。同时，层间结构和RM基底锚定策略有效减少了CeO₂的溶解，并将Nafion用量降低至30%以下，成本降低约50%。我们的研究为设计经济高效、耐久性优异的生物质衍生PEMs提供了新思路。