杂多酸掺杂质子交换膜的制备、结构及性能
来源期刊：材料导报2017年第1期
论文作者：郜雪松 罗锋 杨叶华 龚兴厚 胡涛 吴崇刚
文章页码：30 - 42
关键词：质子交换膜;杂多酸;掺杂;质子传导性;流失率;
摘 要：作为含有多金属氧酸Keggin分子构型的固体强酸,杂多酸（HPAs）具有优异的吸水性、质子传导性（cp）、机械、热及化学稳定性。HPA掺杂陶瓷或聚合物质子交换膜（PEMs）可以有效提高复合PEMs的亲水性、cp、燃料阻隔性、机械、热及化学稳定性,同时显著降低其cp及燃料阻隔性的温度与湿度依赖性。当HPA掺杂陶瓷时,两者之间的氢键作用导致HPA在基体中的流失率低、分散性强且掺杂量高,此时复合PEMs的cp(10-1 S/cm数量级)较基体PEMs(10-310-2 S/cm)大幅升高;而当HPA掺杂磺化聚合物时,两者之间的静电排斥力造成HPA在基体中的流失率高、分散性差且掺杂量低,此时复合PEMs的cp(10-1 S/cm数量级)较基体PEMs(10-210-1 S/cm)仅小幅升高。为了有效降低HPA在聚合物基体中的流失率,可以采用聚合物膜"三明治"状包覆复合PEMs、盐化HPA、改性基体或通过第三组分负载HPA以分别在HPA与基体或负载之间形成氢键或静电引力等手段;对于HPA的负载改性,由于陶瓷或聚合物负载在基体中易团簇,相应地HPA在基体中的分散性与掺杂量并未提高。有时采用HPA与吸水性较强的磷酸共掺杂陶瓷基体或负载,以协同提高复合PEMs的cp,然而效果并不显著。以上各种结构的HPA掺杂PEMs通常由溶液浇铸法、自组装法、溶胶-凝胶法及浸润法等制备;不同方法往往相互关联,即制备过程可能涉及两种或3种方法的耦合使用。改性HPA或其负载以显著提高HPA在磺化聚合物基体中的分散性与掺杂量,借此构建全新、高效的质子传输通道形态以实现复合PEMs的超高cp（100S/cm数量级）,是今后PEMs技术的重点发展方向之一。
郜雪松1,2,3，罗锋3，杨叶华3，龚兴厚1,2,3，胡涛1,2,3，吴崇刚1,2,3
1. 湖北工业大学绿色轻工材料湖北省重点实验室2. 绿色轻质材料与加工湖北工业大学协同创新中心3. 湖北工业大学材料与化学工程学院
摘 要：作为含有多金属氧酸Keggin分子构型的固体强酸,杂多酸（HPAs）具有优异的吸水性、质子传导性（cp）、机械、热及化学稳定性。HPA掺杂陶瓷或聚合物质子交换膜（PEMs）可以有效提高复合PEMs的亲水性、cp、燃料阻隔性、机械、热及化学稳定性,同时显著降低其cp及燃料阻隔性的温度与湿度依赖性。当HPA掺杂陶瓷时,两者之间的氢键作用导致HPA在基体中的流失率低、分散性强且掺杂量高,此时复合PEMs的cp(10-1 S/cm数量级)较基体PEMs(10-310-2 S/cm)大幅升高;而当HPA掺杂磺化聚合物时,两者之间的静电排斥力造成HPA在基体中的流失率高、分散性差且掺杂量低,此时复合PEMs的cp(10-1 S/cm数量级)较基体PEMs(10-210-1 S/cm)仅小幅升高。为了有效降低HPA在聚合物基体中的流失率,可以采用聚合物膜"三明治"状包覆复合PEMs、盐化HPA、改性基体或通过第三组分负载HPA以分别在HPA与基体或负载之间形成氢键或静电引力等手段;对于HPA的负载改性,由于陶瓷或聚合物负载在基体中易团簇,相应地HPA在基体中的分散性与掺杂量并未提高。有时采用HPA与吸水性较强的磷酸共掺杂陶瓷基体或负载,以协同提高复合PEMs的cp,然而效果并不显著。以上各种结构的HPA掺杂PEMs通常由溶液浇铸法、自组装法、溶胶-凝胶法及浸润法等制备;不同方法往往相互关联,即制备过程可能涉及两种或3种方法的耦合使用。改性HPA或其负载以显著提高HPA在磺化聚合物基体中的分散性与掺杂量,借此构建全新、高效的质子传输通道形态以实现复合PEMs的超高cp（100S/cm数量级）,是今后PEMs技术的重点发展方向之一。
关键词：质子交换膜;杂多酸;掺杂;质子传导性;流失率;
