通过耦合的吸电子基团增强非磺化膜中的质子离域性，以提高高温燃料电池的性能

《ACS Nano》：Enhancing Proton Delocalization in Non-Sulfonated Membranes through Coupled Electron-Withdrawing Groups for High-Temperature Fuel Cells

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFCs）性能受低湿度下质子传导率不足及聚合物电解质热稳定性差限制。本研究通过引入吸电子基团（磺酰和苯基）到非磺酸型全氟磺酰亚胺-苯基膦酸（PFSI-BPA）膜中，增强亲质子基团酸性，降低质子迁移能垒，使膜质子电导率在40%相对湿度下比对照组高3.2倍，且燃料电池在105℃/40% RH时峰值功率密度达2.44 W cm?2，显著优于前人研究。

　　

高温质子交换膜燃料电池（HT-PEMFC）由于对二氧化碳杂质的耐受性强以及热和水管理效率高，具有显著的实际应用潜力。然而，HT-PEMFC的性能受到低湿度下质子传导率低以及聚合物电解质高温稳定性不足的限制。在本研究中，我们制备了一种非磺化的全氟磺酰胺-苯膦酸（PFSI-BPA）膜，该膜在HT-PEMFC中表现出优异的性能。我们的策略是通过引入吸电子基团（磺酸基团和苯基团）来增强膜中质子生成基团（磺酰胺基团和膦酸基团）的酸性。这些吸电子基团通过降低能量障碍促进质子的离域，从而提高了非磺化膜的质子传导率和热稳定性，这一点通过原位测量和理论计算得到了验证。在40%相对湿度（RH）条件下，PFSI-BPA膜的质子传导率是含有供电子基团的对照样品的3.2倍。此外，在105°C/40% RH的条件下，基于PFSI-BPA的燃料电池的功率密度达到了2.44 W cm^–2的峰值，优于大多数先前报道的数值。这项工作为开发用于实际应用的先进聚合物电解质提供了宝贵的见解。本研究探讨了通过吸电子基团的诱导效应增加质子生成基团的酸性来提高质子传导率的方法，该方法降低了质子离域的能量障碍。合成的全氟磺酰亚胺-苯膦酸（PFSI-BPA）即使在低湿度下也表现出出色的水传输和质子传导性能，使其成为下一代高温燃料电池的有希望的候选材料。