基于树枝状介孔二氧化硅纳米粒子的质子交换膜设计与性能研究：提升直接甲醇燃料电池的耐久性与效率

本文报道了一种新型质子交换膜（PEM）的研发，该膜以交联聚乙烯醇（cPVA）为基质，通过真空浸渍将质子离子液体（PIL）负载于树枝状介孔二氧化硅纳米粒子（DMSNs）的径向孔道中，形成cPVA/IL@DMSN-X纳米复合膜。该设计有效抑制了PIL的溶出，并利用DMSNs的分级孔隙结构（粒径57 nm、高比表面积）显著提升了膜的质子传导性（75.4 mS cm?1）、甲醇阻隔性（渗透率低至4.8×10?7 cm2 s?1）及热稳定性（200 °C）。在低湿度（<20 %）下仍保持25 mS cm?1的质子电导率，且单电池峰值功率密度达59.7 mW cm?2（纯H2）及38.8 mW cm?2（10 M甲醇），展现出作为耐用DMFC替代PEM的巨大潜力。

　　

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Materials

十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）（98 %）购自Sigma-Aldrich。二茂铁甲酸（FCA）（99.5 %）和正硅酸四乙酯（TEOS）（38 %～42 %）购自麦克林。三乙醇胺（TEA）（97 %）购自成都科隆。聚乙烯醇（PVA）（醇解度99 %，分子量101200–110000 g/mol）和2-膦酰基-1,2,4-三羧基丁烷（PBTCA）购自成都鼎盛。Nafion115膜（165 μm，360 g m^?2）购自上海楚工。所有材料和试剂均直接使用，无需进一步纯化。

Physicochemical structure of DMSN

DMSN的详细合成过程如图1所示。带正电的CTAB分子在水溶液中自组装形成胶束。随后，带负电的辅助模板FCA通过静电作用靠近CTAB。FCA的疏水段易嵌入CTAB胶束内部，形成阳离子-阴离子混合胶束。此时，单个CTA⁺/FC^?混合胶束通过静电作用聚集，形成二聚体、三聚体等多级结构，最终引导二氧化硅前体（TEOS）在界面水解缩合，构建出具有放射状孔道的树枝状介孔结构。

Conclusion

成功以CTAB和FCA为主辅模板合成具有独特树枝状结构的DMSN纳米粒子，并通过真空浸渍将PIL负载于其介孔中。随后将不同比例的IL@DMSN复合物引入PVA/PBTCA交联体系，制备出cPVA/IL@DMSN-X纳米复合膜用于DMFC。DMSN的分级孔结构有效限制了PIL的流失，同时协同增强了质子传导路径的稳定性、甲醇阻隔性及膜尺寸稳定性，为高耐久性燃料电池膜材料提供了新策略。