【材料】Nat. Mater.最新研究成果:高温质子交换膜的重大突破为燃料电池迎来新转机 2024-04-10 19:42:04 清洁能源氢和高能量密度燃料的电化学能量转换在全球可持续能源未来过渡中起着至关重要的作用,这已成为越来越多的国际共识。在超过100 ℃的温度下运行质子交换膜燃料电池(PEMFCs)有几个优点,包括热电联产、对燃料杂质的高耐受性和更简单的系统设计。高温PEMFCs(HT-PEMFCs),包括基于磷酸掺杂聚苯并咪唑(PA-PBI),可以在不加湿的情况下在140-200 ℃的温度范围内工作。目前,HT-PEMFCs在有水存在或在较高的运行温度下表现出有限的稳定性。为了提高膜的稳定性,作者开发了具有双磷酸盐-铵离子对强相互作用的离子对配位膜,提高了膜的耐水性,减少了高温下磷酸的蒸发。然而,与最先进的基于PA-PBI的HT-PEMFCs相比,其性能较低。(来源:Nat. Mater.)近日,德国斯图加特大学Jochen Kerres教授和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Yu Seung Kim教授合作报道了一种聚(2,3,5,6-四氟苯乙烯-4-膦酸)质子交换膜材料,它不会发生酸酐生成反应,因此在200 ℃以上还保持了高的质子电导率。该团队使用膦化聚合物在燃料电池电极与离子对协调膜在膜电极中组装。在H2/O2条件下,这种协同集成的燃料电池在160℃时达到1,130 mW cm−2的峰值功率密度,在240 ℃时达到1,740 mW cm−2的峰值功率密度,显著优于基于聚苯并咪唑和金属磷酸盐的燃料电池。该团队的研究结果为在干燥和加热条件下在高性能燃料电池中使用膦化聚合物指明了一条行之有效的道路。该研究成果以“Synergistically integrated phosphonated poly(pentafluorostyrene) for fuel cells”为题,发表在材料领域顶级期刊Nature Materials上(DOI: 10.1038/s41563-020-00841-z)。图1. 膦酸的酸酐生成(来源:Nat.Mater.)作者假设当膦酸中羟基的反应性较低时,酸酐的形成可能不会发生。为了证明这一点,作者利用理论的MP2/6-31 G(d)水平,通过第一性原理计算了磷酸、甲基膦酸和五氟苯基膦酸酸酐形成的热力学(图1a)。在25 ℃下,酸酐形成的吉布斯自由能按五氟苯基膦酸(6.9 kcal mol−1)>磷酸(4.8 kcal mol−1)>甲基膦酸(2.0 kcal mol−1)的顺序降低。这些结果表明,由于高能P−O−P键的形成,在室温下酸酐的形成不是一个自发的过程。然而,在160 ℃下,甲基膦酸(−1.8 kcal mol−1)和磷酸(−0.3 kcal mol−1)的酸酐形成都是释放能量的过程。五氟苯基膦酸的酸酐形成需要在更高的温度(约240 °C)下释放能量。第一性原理计算表明,五氟苯基膦酸酐是所有研究的酸酐中最不稳定的,因此,即使在160 °C(2.3 kcal mol−1)下,酸酐的形成也具有能量依赖性。此外,作者还比较了最先进的HT-PEMFC聚合物电解质的性能(图2a)。首先,他们比较了质子导体的无水质子电导率与温度的关系(图2b)。随着温度从120 °C增加到220 °C,具有70%膦化度的聚(2,3,5,6-四氟苯乙烯-4-膦酸) (PWN70)的质子电导率迅速从10−4增加到0.2 mS cm−1。PWN70的电导率略低于在35%相对湿度(RH)下测得的电导率。PA-PBI的质子电导率至少比PWN70高3个数量级。由于磷酸的蒸发,PA-PBI的质子电导率随温度升高而增大,在190 ℃时开始下降。离子对配位聚合物(PA-QAPOH)的质子电导率略高于PA-PBI,并一直保持上升趋势,直到温度达到220 ℃后才下降。离子对聚合物在较高温度下的最大电导率可能是由于离子对之间的相互作用较大。磷酸(PA)掺杂的焦磷酸锡(TPP/Nafion)复合膜在120−200 °C的温度范围内表现出略低于PA-PBI和PA-QAPOH的电导率值,在300 °C以下电导率依然没有下降。 图2. 质子导体的性能比较 (来源:Nat.Mater.) 同时,作者比较了由不同膜和电极粘合剂组装而成的HT-PEMFC的性能和耐久性。图3a比较了在120 °C下膜电极组件(MEA)的燃料电池性能。对于PA-PBI MEA,PTFE粘合剂(MEA1)与PWN70粘合剂(MEA2)相比表现出更好的性能,这与先前的研究结果一致,即PTFE粘合剂与PA-PBI膜性能良好。MEA3(离子对膜/离聚物)和MEA5(金属磷酸盐膜/离子对离聚物)的性能与MEA2相似。MEA4(离子对膜/磷酸化离聚物)在低电流密度下的性能与MEA1相当,但在高电流密度下的性能要好得多。在160 ℃的工作温度下,MEA3的性能优于MEA1(图3b)。MEA4的高电流密度性能得到了明显的改善。因此,MEA4的峰值功率密度比PA-PBI MEA(MEA1)高出约1.5倍(MEA4为1,134 mW cm−2,而MEA1为730 mW cm−2)。 图3. 不同MEAs的H2/O2燃料电池性能比较 (来源:Nat.Mater.) 在这项研究中,作者发现膦化的聚(五氟苯乙烯)(PWN70)在<240 ℃下不会发生不利的酸酐生成反应,并且可以成功地与带有离子对膜的杂化MEA进行整合。PWN70在120–200 °C的温度范围内具有优异的燃料电池性能和耐用性,优于其他最先进的HT-PEMFC MEAs。研究结果表明,设计合理的膦化聚合物可以作为HT-PEMFCs的离子粘结剂。这种材料设计理念在不损失酸的情况下传导质子的能力对于其他需要在120–240 °C下进行电化学反应的电化学应用是可取的,但在>200 °C下稳定运行仍然是一个挑战。 赞 (0) 相关推荐 今日燃料电池Nature Catalysis、Nature Materials两连击! 第一篇,鉴定质子交换膜燃料电池的Fe–N–C材料中的持久和非持久FeNx部位 ▲第一作者:Jingkun Li 通许作者:Frédéric Jaouen 通讯单位:法国蒙彼利埃大学 DOI:http ... 电泳漆常见弊病及解决办法 摘要:槽液颜基比过高.(先取槽液测颜基比,同时排除其它因素,然后如果没有其他问题就往电泳槽补加乳液,如效果改善可与供应厂家联系研究继续补加方案.)进入电泳槽的被涂工件及挂具不干净.(可能污染环节:1. ... 我国科研团队制备出高性能离子传导膜 本报讯(记者沈春蕾)中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心任文才研究员.成会明院士团队制备出一类由二维过渡金属磷硫化物纳米片组装而成的膜,并发现过渡金属空位使该类薄膜具有超快的离子传输性能.近日 ... 一篇严肃的综述:崔屹教授谈金属锂负极的“复兴” 材料 由 X-MOL发布于 2017-03-22 笔者曾听过一次斯坦福大学崔屹教授的报告,他提到锂离子电池的负极,经历了一场"周而复始"的研究过程.最早,锂电池就是使用金属锂做负极 ... 金属所《Science》:纳米薄片膜,超快的离子传输性能! 纳米通道在潮湿条件下的质子输运,对于能量的储存和转换应用至关重要.然而,现有材料受到限制的电导率最高仅达0.2 S/cm.近日,来自中国科学院金属研究所的任文才等研究者,报道了一类由二维过渡金属磷三氟 ... 首师大《Angew》:一种新策略!从无定形甚至液态实现结晶材料 将材料从非晶态转变为长程有序(晶体)状态是一个特别热门的研究领域.晶体材料优于具有不确定结构的非晶态材料,因此晶体材料能够通过衍射技术精确地确定分子级的结构.此外,长距离有序结构.低缺陷密度.对称性和 ... 燃料电池堆-膜电极 燃料电池堆-膜电极 燃料电池汽车的分类 燃料电池汽车(FCV)是一种用车载燃料电池装置产生的电力作为动力的汽车.那么燃料电池汽车的分类都有哪些呢? 碱性燃料电池 在碱性燃料电池(AFC)中,氢氧化钾(KOH)水溶液作为电解液.与其他一些酸性 ... 我国在MAX相结构材料和MXene能源材料领域的最新研究成果 MAX相材料是由三种元素组成的天然层状碳氮化物无机非金属类材料, 其具有金属的导电和导热性质, 也具备结构陶瓷的高强度.耐高温.耐腐蚀等苛刻环境服役能力.MAX相材料在高温润滑.耐氧化涂层.事故容错核 ... 安徽医科大学曹云霞教授团队发表一项最新研究成果 5月4日,安徽医科大学曹云霞教授团队联合清华大学医学院那洁副教授团队和首都医科大学李琳博士于生物医学领域期刊<蛋白质与细胞>在线发表题为<母源性CHEK1基因杂合突变导致受精卵卵裂障 ... 上海交大海洋学院最新研究成果揭示北极冻土融化对气候变化的敏感性 上海讯 近日,上海交通大学海洋学院长聘教轨助理教授张晓雯在美国地球物理学会旗舰期刊AGU Advances上,以第一兼通讯作者的身份发表了题为"Recent Warming Fuels ... 《Nature Energy》刊发北航化学学院孙艳明教授课题组最新研究成果 北京讯(通讯员 孙艳明)2021年5月10日,<Nature Energy>杂志以在线全文Article的形式发表了北京航空航天大学化学学院孙艳明教授课题组与上海交通大学刘烽教授课题组在有 ... 口服PCSK9抑制剂,有戏了?阿斯利康发布PCSK9反义疗法最新研究成果 | Science子刊 PCSK9(前蛋白转化酶枯草杆菌蛋白酶/kexin9型)能参与调节肝低密度脂蛋白(LDL)受体的生命周期.研究发现,人体中PCSK9的功能获得性突变与家族性高胆固醇血症有关,而PCSK9的功能丧失性突 ... MIT最新研究成果:纳米颗粒与PD-1联合用药将提高癌症免疫疗法适用率 治疗癌症的有效策略是刺激人体自身的免疫系统来攻击肿瘤细胞.然而,肿瘤易对免疫系统产生抑制作用,这让免疫疗法无法适用于全部患者. 检查点抑制剂是目前用于治疗肿瘤的有效方法之一,但仍存在一定的瓶颈.&qu ... 原子级!北大才女的最新研究成果将把晶圆工艺从纳米级推向原子级|半导体|纳米级|晶体管|半导体材料|原... 日前,由北大才女孔静教授领导的一支国际联合攻关团队,成功攻克了半导体领域的二维材料的连接难题,这项成果将使晶圆的制程从纳米级,微观到原子级. 孔静(女)教授和学生 先进技术可能使"2D&qu ... 【成果】《Circulation》刊发协和医院程翔教授团队最新研究成果 近日,华中科技大学同济医学院附属协和医院心血管内科程翔教授研究团队在心脏组织特异性免疫反应领域取得重要进展.相关研究成果以"A unique population of regulatory ... 氢农学最新研究成果发布!纳诺巴伯提供技术支持! 沈文飚 中国著名氢农学专家 南京农业大学教授.博士生导师,南京农业大学生命科学学院生化与分子生物学系主任,教育部新世纪优秀人才支持计划入选者,中国医疗保健国际交流促进会氢分子生物医学分会副主任委员.在 ...