复合膜中乙二胺四亚甲基膦酸分散调控策略：提升高温质子交换膜质子传导性与磷酸保持能力

为解决高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）中磷酸（PA）易流失和质子传导稳定性不足的问题，研究人员通过调控乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMPA）在复合膜中的纳米级分散状态，显著提升了质子传导性（达0.5 S cm-1）和PA保留能力。该研究揭示了EDTMPA-PA双质子导体协同作用的微观机制，为下一代HT-PEMFCs的高效稳定运行提供了新策略。

　　

在能源技术领域，高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）因其在160°C以上环境中展现出的高效能和抗污染特性备受关注。然而，其核心组件——质子交换膜（PEM）面临严峻挑战：传统磷酸（PA）质子导体虽具有优异的质子传导能力（0.5 S cm^-1），但高流动性导致PA在运行中易流失，造成性能急剧衰减。更棘手的是，现有技术难以同时兼顾高质子传导率和长期稳定性，这成为制约HT-PEMFCs商业化应用的瓶颈。

针对这一难题，中国的研究团队创新性地提出"双质子导体"模式，将固体质子导体乙二胺四亚甲基膦酸（EDTMPA）与液态PA结合。前期研究发现，EDTMPA的氮原子能增强质子解离，其与PA的强相互作用可抑制PA流失。但EDTMPA在传统聚醚砜-聚乙烯吡咯烷酮（PES-PVP）基质中易形成大尺寸聚集体，限制了协同效应的发挥。为此，研究人员通过精确调控聚合物基质组成，首次系统探究了EDTMPA空间分布对膜性能的影响规律。

研究采用溶液浇铸法制备复合膜，通过扫描电镜（SEM）和光学显微镜表征EDTMPA分散形态，结合电化学阻抗谱测定质子传导率，并设计加速老化实验评估PA保留能力。关键创新在于利用PVP与EDTMPA的优异相容性，通过调整PES-PVP比例实现EDTMPA的纳米级均匀分布。

【The interaction between EDTMPA and membrane matrix】
研究发现，PVP-EDTMPA膜呈现透明均质形态，而PES-EDTMPA膜出现明显相分离。当PVP含量从20%增至50%时，EDTMPA粒径从微米级（>1 μm）降至纳米级（<100 nm），证明聚合物相容性对分散状态的调控作用。

【Proton conductivity and PA retention】
EDTMPA纳米分散使质子传导率提升40%，在160°C达到0.35 S cm^-1。更惊人的是，经过100小时老化测试，优化膜中PA保留率高达85%，远超传统PA-PBI膜（约15%）。这种"尺寸效应"源于纳米级EDTMPA与PA的接触面积增大，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实其形成了更强的P=O···H-N氢键网络。

【Conclusion】
该研究建立了"分散尺寸-界面效应-性能输出"的构效关系，证明EDTMPA粒径每减小200 nm，质子传导率可提升0.05 S cm^-1。这种通过基质工程调控固体质子导体分散状态的方法，为设计兼具高传导性和稳定性的双质子导体PEM提供了普适性策略。发表于《Journal of Membrane Science》的这项成果，不仅使HT-PEMFCs在1.5 A cm^-2高电流密度下的电压衰减率降低三个数量级，更为其他多相质子导体体系的设计提供了重要借鉴。