超声喷涂氧化石墨烯- Nafion?复合膜提升质子交换膜水电解性能与耐久性研究

为解决质子交换膜(PEM)在电解水过程中易受化学降解和机械应力破坏的问题，研究人员创新性地采用超声喷涂技术在Nafion? 115膜表面沉积20微米GO-Nafion?复合层。研究发现阴极侧沉积可提升机械强度（断裂伸长率提升至248%）和热稳定性（分解温度提高），且不影响电化学性能，为规模化制备高性能电解膜提供了新方案。

　　

在全球加速推进碳减排的背景下，氢能作为清洁能源载体成为实现碳中和的关键。质子交换膜水电解技术(PEMWE)因其高效率、高纯度产氢优势备受关注，但核心组件质子交换膜(PEM)长期面临化学降解、机械疲劳和温度波动导致的寿命问题。传统全氟磺酸(PFSA)膜如Nafion?虽具有优异质子传导性，但在电解工况下易因自由基攻击和反复溶胀产生穿孔，引发氢氧混合爆炸风险。尽管碳纳米材料(如碳纳米管、石墨烯)增强复合膜在燃料电池领域已有研究，但针对电解应用的GO改性膜仍缺乏系统性探索，且传统溶液浇铸法存在规模化生产瓶颈。

加拿大蒙特利尔大学等单位的研究团队在《Journal of Membrane Science》发表研究，提出通过超声喷涂技术在商用Nafion? 115膜表面构建20微米GO-Nafion?复合层的新策略。采用改性Hummers法制备GO，将其与Nafion?聚合物溶液混合形成均匀墨水，通过自动化超声喷涂系统精确控制沉积厚度，并系统考察不同热处理温度对界面结合的影响。结合原子力显微镜(AFM)、扫描电镜(SEM)和光电诱导力显微镜(PiFM)等多尺度表征，验证GO在复合层中的梯度分布特征。

Membrane morphology
AFM分析显示，未退火的GO-Nafion?复合膜表面粗糙度(RMS)为3.21 nm，经80°C退火后降至1.45 nm，表明热处理可优化界面相容性。PiFM证实GO在膜表面15微米范围内形成浓度梯度，这种结构既保持基底柔韧性又增强表层强度。

Thermal and mechanical properties
热重分析(TGA)表明GO-Nafion?膜热分解起始温度比纯Nafion?提高12°C。拉伸测试显示阴极侧改性膜的断裂伸长率达248%，较对照组(95%)提升2.6倍，杨氏模量增加40%，归因于GO片层的机械互锁效应。

Electrochemical performance
在1.8V工作电压下，阴极侧改性膜电流密度与原始膜相当，而阳极侧沉积会导致性能下降9%。接触角测试显示复合膜亲水性显著改善(从105.2°降至84.4°)，有利于质子水合传输，但过厚沉积(>20μm)会增大质子传输阻力。

该研究首次证实超声喷涂GO-Nafion?复合层可针对性解决PEMWE膜的机械-热稳定性矛盾，阴极侧优化方案在保持100%电化学效率的同时，使膜寿命关键指标提升160%。所开发的自动化喷涂工艺突破传统浇铸法的量产限制，为千兆瓦级电解槽用膜制造提供新范式。研究同时揭示GO分布梯度与性能的构效关系，为新型非对称功能膜设计提供理论依据。