硫/磷掺杂提升Fe/Co-8-16-4石墨炔电催化裂水性能及其在质子交换膜燃料电池中的应用研究

本综述系统阐述了通过硫/磷掺杂策略提升Fe/Co-8-16-4石墨炔电催化活性的创新研究，并拓展至质子交换膜（PEM）材料设计。研究通过构建枝状介孔二氧化硅纳米颗粒（DMSNs）负载质子离子液体（PILs）的复合体系，显著增强PEM的质子传导性（75.4 mS cm?1）、甲醇阻隔性（4.8×10?7 cm2 s?1）及热稳定性（200°C），为直接甲醇燃料电池（DMFC）的耐久性应用提供突破性解决方案。

　　

Highlight

本研究成功合成具有枝状结构的介孔二氧化硅纳米颗粒（DMSNs），其独特的三维径向孔道结构通过真空浸渍法负载质子离子液体（PILs），形成IL@DMSN复合材料。该设计有效抑制PILs浸出，并利用DMSNs的分级孔隙结构（57 nm均匀粒径、高比表面积）提升质子传导路径的复杂性。

Materials

实验材料包括：十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）（98%）、羧基二茂铁（FCA）（99.5%）、正硅酸乙酯（TEOS）（38%～42%）、三乙醇胺（TEA）（97%）、聚乙烯醇（PVA）（醇解度99%，分子量101200–110000 g/mol）、2-膦酰基丁烷-1,2,4-三羧酸（PBTCA）。Nafion115膜（厚度165 μm，面密度360 g m^?2）购自上海楚恭。所有试剂未经纯化直接使用。

Physicochemical structure of DMSN

DMSN的合成过程如图1所示。带正电的CTAB分子在水溶液中自组装形成胶束，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，形成阳离子-阴离子混合胶束。随后，单个CTA⁺/FC^?混合胶束通过静电作用聚集成二聚体、三聚体等多聚体，最终引导TEOS水解并沉积于胶束界面，形成具有放射状孔道的DMSN结构。

Conclusion

以CTAB和FCA为主副模板成功合成具有枝状结构的DMSN纳米颗粒，通过真空浸渍将PILs负载于其介孔结构中。将不同比例的IL@DMSN复合物掺入PVA/PBTCA交联体系，制备出cPVA/IL@DMSN-X纳米复合膜。DMSN的分级孔结构有效限制了PILs的迁移，显著提升复合膜的质子传导性、尺寸稳定性和甲醇阻隔性能，展现出作为DMFC用质子交换膜的巨大潜力。