摘要
直接甲醇燃料电池使用甲醇水溶液为燃料供给来源，避免了在氢-氧燃料电池中氢气难以储存、运输和安全性低的缺点，而且其具备电池结构简单、原料来源丰富、可低温快速启动和可使用现有的加油系统等优点，已引起了研究者广泛的关注。质子交换膜作为直接甲醇燃料电池的绝对关键材料，它能分隔燃料和氧化剂，允许质子自由通过，而且还是电解质和电催化剂的基底。优良的质子交换膜必须具备优异的质子传输能力、高的阻醇性能和机械性能。然而，目前广泛使用的质子交换膜是在氢-氧燃料电池中取得巨大成功的全氟磺酸膜，如Dupont公司的Nafion系列膜，但遗憾的是其在应用于直接甲醇燃料电池时存在无法有效地阻止甲醇向阴极渗透及成本高昂等缺点，因此如何提高质子交换膜的阻醇与质子传导性能以及降低膜的成本，对加快直接甲醇燃料电池的商业化进程具有重要的理论意义和应用价值。 首先，通过溶胶凝胶法，将高吸水性的二氧化硅包覆在碳纳米管表面，得到具有核壳结构的二氧化硅包覆碳管杂化材料（SiO2@CNTs），再与SPEEK进行溶液共混复合，制备新型的碳纳米管复合质子交换膜；SiO2壳层的形成，有效屏蔽了碳管的电子传导，增强了碳管在聚合物中的分散性，同时能赋予碳管优异的吸湿能力；以其掺杂所得的复合膜与纯SPEEK膜相比具备更高的阻醇率，热性能更为优异，电导率值仍然在10-2S·cm-1以上，能够满足PEM在电池中运行时所需的电导率数值。 其次，以成膜性较好的天然高分子壳聚糖（CS）为基体，首次选用室温下具有流动性的纳米碳酸钙类流体作为掺杂物，制备了新型的壳聚糖/纳米碳酸钙类流体复合膜，一方面纳米碳酸钙类流体的增塑和增强作用改善了壳聚糖基质子交换膜的柔韧性并提高了其机械性能，同时膜的热稳定性得以提升；另一方面，纳米碳酸钙类流体的填充增加了导电通路，膜的质子传导率增加。 第三，以SiO2@CNTs作为增强体，制备了一种新型的CS/SiO2@CNTs复合质子交换膜，高吸湿性纳米SiO2对碳管的包覆有效改善了碳管在壳聚糖基材中的分散性，复合膜的热稳定性、耐氧化性及拉伸强度明显提高，而且在一定程度上也提升了壳聚糖基膜的电导率和阻醇性能。
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