摘要：质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)是保证燃料电池安全、高效运行的关键部件。当前,Nafion及部分Nafion衍生物PEM被广泛应用于燃料电池、电解制氢、传感检测、液流电池等领域。但是,其仍存在制造成本过高、高效温度范围狭窄(约20~80℃)等问题。近年来,部分金属有机框架材料(metalorganic frameworks,MOFs)因具有结晶性、可设计性和高比表面积等优点,作为潜在的新型质子导体,被用于修饰、改进现有高分子质子交换膜,或直接被作为主要质子传导介质制成质子交换膜,取得了一系列重要进展。本文详细介绍了在MOFs中五种质子传导的常见方式,综述了近年来国内外在高性能质子传导MOFs领域的代表性成果,总结了质子传导MOFs在质子交换膜中的三类常见应用方法,指出MOFs材料在提高PEM质子电导率、降低PEM成本、拓宽PEM高效工作区间等方面具有巨大的发展潜力。最后,本文提出现有MOFs在质子交换膜中的应用还存在稳定性、耐久性、有害物质逸出等方面的问题,这为新型MOFs质子交换膜的开发提供了参考与思路。

摘要：质子交换膜燃料电池(PEMFC)商业化应用的瓶颈仍然是贵金属催化剂导致的成本问题。然而,目前对于催化层中纳米尺度全氟磺酸离聚物(以Nafion为代表)薄膜中质子传导的问题研究不足,无法完善三相界面的成型规律,进而指导催化层设计。在催化层浆料制备过程中,分散溶剂对Nafion的分散形态有直接影响,可能对催化层成型后附着在催化剂颗粒表面Nafion薄膜的微观结构有潜在影响,进而影响Nafion薄膜的质子传导能力。因此,在本文中利用分子自组装技术模拟催化层离聚物薄膜的聚集过程,于模型基底上制备厚度精确可控的纳米尺度Nafion薄膜,并通过微观测试表征技术探索并建立纳米尺度Nafion离聚物的微观结构模型,阐明分散溶剂对Nafion薄膜微观结构及质子传导的影响。研究发现Nafion薄膜在纳米尺度下的质子电导率比体相膜的质子电导率低一个数量级,使用介电常数较小的醇类溶剂可以使Nafion薄膜形成更有利于质子传导的微观结构,使Nafion薄膜的质子电导率得到提高。相关研究结果为优化PEMFC催化层结构,改善PEMFC催化层中质子传导问题提供给了依据。

摘要：金属有机骨架材料(MOFs)由于其结构多样性、骨架的可修饰性、超高比表面积和孔隙等特点,在质子传导、气体分离和吸附、催化、化学传感和生物医药领域有着独特的优势和广泛的应用。本文综述了近年来金属有机骨架材料在质子传导方面的研究进展,系统地阐述了质子传导的Grotthuss机理和Vehicel机理,并针对两种不同的机理分别总结了提高MOFs质子传导率的方法,对质子传导MOFs的设计具有显著的指导意义。此外,还介绍了质子传导MOFs最重要的应用之一——质子交换膜。质子交换膜由于其高电导率、易成膜以及优良的选择性透过等特点在燃料电池上有巨大的应用潜力。质子交换膜燃料电池的快速发展,可改善对化石燃料高度依赖的能源结构和日益恶化的环境问题。

摘要：质子交换膜是燃料电池中的关键部件,其主要作用是质子传导.该文基于分子动力学模拟研究水含量对质子传导的影响.研究结果表明:随着水含量λ增加,磺酸基团中的硫原子-水分子中的氧原子、磺酸基团中的硫原子-水合氢离子中的氧原子的径向分布函数随之减小,形成的团簇不断增大,这能有效提高质子的传导效率.

摘要：由于钒液流电池(VRB)灵活、高效以及无污染等优点,是目前最有潜力的大规模储能系统,受到了研究人员的广泛关注。其中隔膜是VRB的关键组成部分,起着隔绝钒离子避免交叉渗透,提供质子跨膜转移通道的作用。由杜邦公司生产的Nafion系列膜由于化学稳定性好、质子电导率高等优点是目前VRB最为常用的离子交换膜,但其存在阻钒能力差、成本高等问题。因此对Nafion膜的离子交换能力进行合理调控,通过改性的方法,在保留Nafion膜基础优异性能的同时提高Nafion膜阻钒能力,降低Nafion膜成本是目前研究的重点。本文讨论了VRB的工作原理以及Nafion膜的性能特征,同时还详细讨论了Nafion膜改性方法的当前趋势和未来方向。这对理解改性Nafion膜结构与电池性能之间构效关系,以及指导Nafion膜今后的改性与设计具有十分重要的意义。

摘要：由两亲分子自组装形成的纳米尺度的微观结构,可以提供精确可控的几何形态及化学环境的离子传输通道。传统的柱状、层状等自组装结构,需额外的取向实现高效的离子传输,并且材料不易获得。本文通过两亲分子的自组装形成球型正胶束结构,形成内在连续离子传输通道,巧妙地规避了取向问题,且材料易获得。为了得到这种自组装结构,设计并合成了一种具有较大的亲水头部、较小的疏水尾部结构的磷酸型可聚合双亲分子(MAC11-PA)。在双亲分子与水共混的体系中加入水溶性交联剂二甲基丙烯酸酯-聚乙二醇(PEG-DMA),利用紫外光引发聚合得到质子交换膜(PMAC11-PA)。通过偏光显微镜和小角X射线散射对质子交换膜的内部结构进行了表征,并利用电化学工作站对薄膜的质子传导进行了测试。结果表明通过偏光显微镜和小角X射线散射的共同表征,证实了“大头小尾”的可聚合型双亲分子MAC11-PA自组装形成了球型正相胶束,具有球型正胶束结构的PMAC11-PA膜在60℃、90%RH的条件下,其质子传导率为1.35×10^(-2) S/cm。球型正胶束结构为两亲分子的自组装用于质子传输提供了一种新思路。

摘要：面对环境污染和能源匮乏,燃料电池作为新型清洁、可再生能源在交通运输、固定与分散电站、移动电源等领域具有广泛的应用前景。然而,目前作为燃料电池核心材料的无机酸或有机质子传导材料存在室温传导率低、湿度依赖性强、构效关系难获得等不足,是制约燃料电池技术发展的一个关键瓶颈。金属-有机框架材料(MOFs)作为一种新型多孔晶态材料,具有结构可设计、骨架可修饰、比表面积大及孔隙可调等优势,在质子传导领域展现出突出的性能和潜在的应用价值。综述了近年来MOFs材料在高性能质子传导方面的研究进展,介绍了质子传导的Grotthuss和Vehicle两种传导机制,系统阐述了有水/无水条件下获得高电导率MOFs质子传导材料的研究方法,详细介绍了高性能、湿度依赖的草酸、羧酸、磷酸和磺酸基MOFs质子传导材料,无水条件下,高性能、高温MOFs质子传导材料通过孔道负载含氮杂环分子获得。最后总结并展望了MOFs质子传导材料未来发展方向,为设计合成性能优异的质子传导MOFs材料提供参考和借鉴。

摘要：嵌段共聚物由于自身嵌段之间的热力学不相容性,容易发生微相分离而形成质子传导通道,并且采用可控活性聚合的方法可设计合成具有特定拓扑结构嵌段共聚物,使之成为最具潜力的一类质子交换膜材料。本文从用于质子交换膜的嵌段共聚物的微相分离热力学理论出发,分析了影响嵌段共聚物微相分离的各类因素,其中包括磺化度、共聚物拓扑结构、嵌段长度、嵌段序列分布、微观聚集结构以及表面形貌等,并对该领域未来的发展做了展望。

摘要：综述了近年来低温固体氧化物燃料电池(LTSOFC)的研究进展。分别介绍了氧离子传导型LTSOFC、质子传导型LTSOFC以及氧离子-质子共传导型LTSOFC的工作原理、关键电池材料(电解质、电极)和电池制备技术的研究现状和发展趋势,并指出了目前存在的问题。

摘要：制备了一种新的甲醇直接燃料电池Pt/RuO2/CNTs阳极催化剂,在相同Pt负载量下,其甲醇电催化氧化活性是Pt/CNTs的3倍.采用循环伏安法研究发现Pt/RuO2/CNTs纳米催化剂中RuO2含量对甲醇电催化氧化活性有明显影响,当Pt和RuO2在碳纳米管上含量分别为15%和9.5%时,Pt/RuO2/CNTs催化剂具有最佳的甲醇电催化氧化活性.RuO2负载在碳纳米管上比电容的变化,反映了水合RuO2结构中质子与电子传输平衡的能力,分析表明,催化剂中RuO2含量不同导致电容的变化是影响甲醇电催化氧化活性的主要原因.当催化剂结构中质子与电子传输达到平衡时,催化剂比电容最大,电催化氧化活性最高.这种基于电容关联电催化剂的观点对甲醇直接燃料电池阳极催化剂的设计非常有意义.