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  燃料電池（Fuel Cells, FC）是一種通過氧化還原反應(yīng)直接將燃料和氧化劑的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置，不受卡諾循環(huán)的限制，效率高，污染和噪音較小，且能量密度和功率密度高，成為新能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。聚苯并咪唑（PBI）的各種衍生物已被探索并被廣泛應(yīng)用于制備高溫質(zhì)子交換膜，將為FC帶來高的CO耐受性、簡化的水熱管理體系和更快的電極動(dòng)力學(xué)等優(yōu)點(diǎn)。但是，PBI在普通有機(jī)溶劑中溶解性差并且合成 PBI 的單體聯(lián)苯四胺有致癌性等問題，影響了PBI的廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)低成本、高性能的高溫質(zhì)子交換膜（HT-PEM），將極大地促進(jìn)HT-PEMFC實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

  楊景帥副教授課題組利用超強(qiáng)酸催化反應(yīng)，以富電子芳烴和乙�；拎樵虾铣�了高性能聚合物。引入的垂墜吡啶單元為吸附磷酸提供堿性位點(diǎn)，無醚鍵的剛性苯環(huán)結(jié)構(gòu)保證聚合物的抗氧化性�；�磷酸摻雜PTAP膜組裝的燃料電池，在無背壓條件下的氫氧電池峰值能量密度為743 mW cm^-2。同時(shí)以Sigma公司的藥品估算聚合物成本，PTAP的成本僅為PBI的一半。

圖1.聚合物PBAP和PTAP的合成過程

  該團(tuán)隊(duì)通過對(duì)聚合物理化性質(zhì)的研究，發(fā)現(xiàn)PTAP 膜在 100 ℃浸入 85 wt% 磷酸溶液后具有 220% 的磷酸摻雜含量，在 180 ℃下的電導(dǎo)率高達(dá) 0.102 S cm^-1。經(jīng)過 450 h 的抗氧化性測(cè)試，PTAP 膜仍表現(xiàn)出 200% 的高磷酸摻雜含量和 0.086 S cm^-1 的高電導(dǎo)率。TGA 結(jié)果表明，PTAP 和 PBAP 膜在480 ℃以下均表現(xiàn)出顯著的熱穩(wěn)定性，適用于 HT-PEMFC。

  在前期工作基礎(chǔ)上（Journal of Membrane Science 641 (2022) 119884），將上述得到的聚合物PTAP組裝燃料電池，測(cè)試了電池性能和穩(wěn)定性，探討了不同厚度的PTAP膜對(duì)電池性能的影響。結(jié)果顯示厚度為 88 μm的PTAP/220%PA 的電池在 120 ℃ 時(shí)的峰值功率密度為 350 mW cm^-2，在 180 ℃ 時(shí)提升至 592 mW cm^-2；厚度為 63 μm 的 PTAP/205%PA 膜在 180 ℃ 時(shí)的峰值功率密度為 743 mW cm^-2。同時(shí)， PTAP/PA 膜具有高于 1.0 V 的高開路電壓 (OCV)，表明其透氣性較低。在160 ℃，電流密度為 200 mA cm^-2 和 400 mA cm^-2下的電池穩(wěn)定性，結(jié)果表明基于 PTAP/205%PA 的電池在200 mA cm^-2 下 100 h內(nèi)和400 mA cm^-2下60 h內(nèi)均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。同時(shí)，電池的OCV在所有關(guān)停-啟動(dòng)循環(huán)測(cè)量期間保持在1.0 V左右，進(jìn)一步證實(shí)了PTAP/205%PA膜的電池穩(wěn)定性和優(yōu)異的氣密性。因此，PTAP聚合物具有較好的電池性能，并且合成過程簡單，成本低，它不僅可以擴(kuò)展HT-PEMFC的膜材料，還可以為其他能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)設(shè)備提供材料。

圖3. 厚度為 88 μm (A) 和 63 μm (B) 的 PA 摻雜 PTAP 膜的單電池性能；(C) 不同類型HT-PEM組裝的H₂ -O₂電池峰值功率密度比較

圖4. 160 °C時(shí)200 mA cm^-2 和400 mA cm^-2條件下的單電池性能啟停-壽命實(shí)驗(yàn)：厚度為 63 μm 的 PTAP/205%PA膜

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.231131