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针对 PEMWE 中 Nafion 膜成本高、氢渗透显著等问题，研究人员以 SP50、PTFE 和 CeO?制备五层复合膜。结果显示其尺寸稳定性、机械性能优异，氢渗透率降为 N212 膜的 1/3.8，PEMWE 性能超对比膜，为相关应用提供新方向。
氢能作为清洁高效的能源载体，在全球能源转型中扮演关键角色。质子交换膜水电解（PEMWE）技术因具备高电流密度、低运行温度和紧凑设计等优势，成为制备高纯氢的重要途径。然而，目前商业化常用的全氟磺酸（PFSA）基膜（如 Nafion 膜）面临成本高昂、氢渗透严重以及玻璃化转变温度低导致的工作温度受限等挑战。尽管烃类（HC）膜因成本低、质子传导率高、氢渗透低和热机械稳定性好等特点被视为潜在替代方案，但其在高离子交换容量（IEC）下易吸水溶胀导致尺寸不稳定，且 PEMWE 运行中产生的羟基自由基（?OH）、氢过氧自由基（?OOH）等会引发膜化学降解，缩短使用寿命，制约了 HC 膜的实际应用。
为解决上述难题，韩国化学技术研究院（Korea Research Institute of Chemical Technology）等机构的研究人员开展了复合膜的优化研究，相关成果发表在《European Polymer Journal》。研究团队设计了一种含自由基清除剂的五层复合膜，以磺化度 50% 的磺化聚芳醚砜（SP50）为烃类离聚物，通过球磨法将氧化铈（CeO?）纳米颗粒均匀分散于 SP50 溶液中，并对聚四氟乙烯（PTFE）多孔基底进行正丙醇（NPA）处理以改善界面相容性，最终构建了 SP50/CeO?/PTFE 五层互锁结构（HC/PTFE/HC/PTFE/HC）。
研究主要采用的关键技术方法包括：①球磨法分散 CeO?纳米颗粒于 SP50 溶液中，以实现其均匀分布；②正丙醇处理 PTFE 基底，降低溶液在 PTFE 表面的接触角，促进离聚物溶液渗透；③层压工艺制备五层复合膜结构，增强膜间物理交联。
膜材料物理化学性能表征
通过水吸收、尺寸稳定性、质子传导率和机械性能测试发现，含 CeO?的五层复合膜（F-SP50-Ce）在完全水合条件下表现出优异的尺寸稳定性，溶胀率显著低于纯 SP50 膜和 Nafion 212（N212）膜。PTFE 基底的机械支撑作用使复合膜的拉伸强度和弹性模量提升，而 CeO?的引入未显著降低质子传导率，同时因其自由基清除能力，复合膜在水热测试中化学稳定性显著增强，分子质量仅下降 5%，远低于 SP50 膜的 50% 降解率。
PEMWE 电化学性能评估
在 80℃全水合条件下的 PEMWE 测试显示，F-SP50-Ce 复合膜的电池性能在 1.9V 时达到 7.42 A/cm2，显著优于 SP50 膜（5.95 A/cm2）和 N212 膜（5.66 A/cm2）。氢渗透率测试表明，其氢渗透率仅为 N212 膜的 1/3.8，有效抑制了氢 crossover 问题。耐久性测试中，复合膜的降解率（DR）最低，证实了其长期运行的可靠性。
结论与意义
该研究成功开发了兼具物理机械强度与化学稳定性的五层复合膜，通过 PTFE 基底增强结构支撑，CeO?纳米颗粒清除自由基，有效解决了 HC 膜在 PEMWE 中的溶胀和降解难题。研究结果表明，优化的复合膜在质子传导、氢渗透控制和耐久性方面均优于传统 Nafion 膜，为低成本、高效稳定的 PEMWE 膜材料设计提供了新策略，有望推动氢能制备技术的商业化进程。CeO?的自由基清除机制及五层互锁结构设计为其他能源存储与转换领域的膜材料开发提供了借鉴思路。
