澳大孙国星/深大王雷：碳化MoF水凝胶，用于构建宽温质子交换膜

燃料电池 (PEMFC) 是燃料电池电动汽车应用中清洁发电的有前途的装置。对高效和具有成本竞争力的技术的进一步要求使得利用磷酸掺杂的聚苯并咪唑的高温质子交换膜受到青睐，因为它们可以在高达 180°C 的温度下正常工作而无需额外的加湿器。然而，它们在120°C以下面临磷酸的快速损失并导致商业化的限制。

澳门大学和深圳大学科研团队设计了一种宽温度范围的 PEM，利用UiO-66衍生的碳（多孔碳-ZrO2）并入支链 OPBI（B）和PAM水凝胶自组装膜（BHC）。OPBI的分支结构有望提高PAM 水凝胶自组装膜的尺寸稳定性。UiO-66 被用作前驱体和模板，通过热碳化轻松制备多孔碳-ZrO2复合材料。这项工作代表了将多孔碳- ZrO2添加到 PA-PBI膜中以生产 PEM的首次尝试，该复合膜具有以下优点：首先，多孔碳- ZrO2多孔材料具有均匀的孔径和大的表面积，可吸收额外的PA以提高质子传导性。其次，多孔碳- ZrO2中的ZrO2作为一种功能成分，提高了膜的机械强度以及水和PA 的保留率。第三，通过将多孔碳- ZrO2浸入PA中，ZrO2转化为ZrP ；因此，新生成的ZrP有望提高膜的质子传导性。BHC膜具有优异的电池性能，在80和 160°C下均具有265和656 mW cm-2的高峰值功率密度。此外，该膜在频率冷启动（从室温到 80°C）和160°C下的长期电池测试方面表现出高稳定性。膜的电池性能和稳定性的提高打破现有PEMFCs系统操作温度限制的进展。

图 1：a-d) UIO-66、多孔碳-ZrO2、C3 和 C4 的SEM 图像。e-h) UIO-66、多孔碳- ZrO2、C3 和 C4 的PXRD 图。

图 4：BHC1-4 膜的制备示意图。

图 6：a) 多孔碳-ZrO2、C3 和C4 样品的氮吸附-解吸等温线。b) 多孔碳- ZrO2、OPBI、B、BH、BHC2 和 PA 掺杂的 BHC2 的TGA 曲线。c) PA掺杂后OPBI、B、BH和BHC1-BHC4膜的应力-应变曲线。d) OPBI、B、BH 和 BHC1–BHC4 膜在芬顿试剂中的氧化稳定性。

相关论文以题为Construction of Stable Wide-Temperature-Range Proton Exchange Membranes by Incorporating a Carbonized Metal–Organic Frame into Polybenzimidazoles and Polyacrylamide Hydrogels发表在《Small》上。通讯作者是澳门大学孙国星教授，深圳大学王雷教授。

参考文献：

doi.org/10.1002/smll.202103214