質(zhì)子交換膜燃料動力電池（PEMFCs）是一種可用于移動式、固定式和便攜式應用的前景光明的清潔發(fā)電設備。全氟磺酸（PFSA）離子交聯(lián)聚合物（例如，Nafion）已經(jīng)成為質(zhì)子交換膜的固定組分，然而，它的高透氣性、低的熱穩(wěn)定性、高生產(chǎn)成本和與環(huán)境的不相容等問題限制了質(zhì)子交換膜燃料動力電池的廣泛應用。無氟的質(zhì)子交換膜可能會解決所有這些問題，然而，這些膜不能同時滿足高性能（例如質(zhì)子傳導性）和耐用性（例如，機械和化學穩(wěn)定性）的標準。

近日，日本山梨大學的KenjiMiyatake（通訊作者）課題組在ScienceAdvance發(fā)表了題為“Designofflexiblepolyphenyleneproton-conductingmembranefornext-generationfuelcells”的研究論文，提出了一種能夠滿足燃料動力電池應用所要求特性的聚苯基質(zhì)子傳導膜(SPP-QP)。這種全新設計的PEM表現(xiàn)出了很高的質(zhì)子傳導性、優(yōu)異的隔膜柔性、較低的透氣性以及極高的穩(wěn)定性，即使在加速老化的條件下退化程度也是可以忽略的，這是現(xiàn)存無氟PEMs從未實現(xiàn)的！這種聚苯基質(zhì)子傳導膜也表現(xiàn)出了相當優(yōu)異的燃料動力電池性能，在實際條件下具有優(yōu)異的耐久性。它打破了現(xiàn)存無氟質(zhì)子傳導材料的限制，并將有助于通過成本降低和性能提升實現(xiàn)下一代PEMFCs。

圖1柔性聚苯隔膜的獨特設計原則

(A)預計的聚苯分子的持續(xù)長度（lp）；

(B)基于該原則的一個單體的專門設計。

圖2新的聚苯基質(zhì)子交換膜

(A)SPP-QP的制備；

(B)SPP-QP隔膜。

圖3吸水和質(zhì)子傳導

(A)80℃下水分吸收與相對濕度的關系；

(B)80℃下質(zhì)子傳導與相對濕度的關系；

圖中括號里的IEC值由酸堿滴定法測定；Fenton測試的過程是：把隔膜在80℃下浸泡在Fenton溶液（含3%的H2O2和2ppm的Fe2+的水溶液）中1小時。

圖4動態(tài)機械分析（DMA）

(A)80℃下質(zhì)子傳導膜的儲能模量(E’)與相對濕度的關系；

(B)80℃下質(zhì)子傳導膜的損耗模量（E”）與相對濕度的關系；

(C)80℃下質(zhì)子傳導膜的tanδ（=E”/E’）與相對濕度的關系；

Fenton測試的過程是：把隔膜在80℃下浸泡在Fenton溶液（含3%的H2O2和2ppm的Fe2+的水溶液）中1小時。

圖5氧化穩(wěn)定性測試（Fenton試驗）

SPP-bl-1（引自參考文獻，3.0mmolg？1），SPP-QP（2.4mmolg？1），SPP-QP（twice，指經(jīng)過兩次Fenton試驗）在試驗后測得的剩余質(zhì)量W，分子重量Mw和IEC值。其中所有的IEC值都是由酸堿滴定法得到的。

圖6燃料動力電池性能和壽命（OCV保持測試）

（A，B）80℃不同相對濕度下（A：100%RH；B：30%RH）SPP-QP（IEC=2.6mmolg？1）紐扣電池的H2/O2極化曲線（實心標志）和歐姆電阻值（空心標志）；

（C）80℃，30%相對濕度下SPP-QP（IEC=2.6mmolg？1）紐扣電池的開路電壓和歐姆電阻值。

研究人員成功設計并制備出一種新的無氟芳香族離子交聯(lián)聚合物（SPP-QP），它只有三個組成部分：硫化p-苯基分子（SP）,無取代的p-和m-苯基分子（QP）組成。這種簡單的聚合物結(jié)構(gòu)在改善制備成本和規(guī)模方面是非常有利的。同時聚苯基分子主鏈上p-和m-苯基分子的均衡組合為這類離子交聯(lián)聚合物（即硫化聚苯基化合物）供應了出乎意料的高薄膜柔性。即使在較低濕度條件下，聚合物結(jié)構(gòu)中分離的親水性（SP）和疏水性（QP）部分也能有效提高質(zhì)子傳導性和燃料動力電池的性能。經(jīng)過Fenton試驗和燃料動力電池性能測試，SSP-QP隔膜在加速氧化退化測試后也能保持其分子結(jié)構(gòu)和最初的優(yōu)異性能（如質(zhì)子傳導性，機械穩(wěn)定性等），表現(xiàn)出極高的氧化穩(wěn)定性。這種化學穩(wěn)定性和足夠的柔性（例如，斷裂伸長率＞50%）是無氟芳香族離聚物膜中前所未有的。這一發(fā)現(xiàn)也是進一步擴大無氟芳香離子交聯(lián)聚合物膜優(yōu)勢的重要線索。