SiO2与CsxH3-xPW12O40共掺杂短侧链全氟磺酸膜提升燃料电池低湿工况性能研究

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)在低湿度下易脱水、导电性骤降的难题，俄罗斯科学基金会团队通过将SiO2和CsxH3-xPW12O40掺杂至低当量重(EW=790 g/mol)的Aquivion?膜中，开发出兼具高质子传导率(提升4倍)与尺寸稳定性的复合膜。该膜在50%相对湿度下使膜电极组件(MEA)功率密度提升1.5倍(达421 mW/cm2)，为燃料电池在严苛环境下的应用提供新材料策略。

　　

随着全球碳中和进程加速，氢能作为清洁能源载体备受关注。质子交换膜燃料电池(PEMFC)因其高效、零排放等优势成为研究热点，但其核心组件——全氟磺酸(PFSA)质子交换膜在低湿度条件下存在致命缺陷：脱水导致质子传导率骤降1-2个数量级，迫使系统配备复杂加湿装置。传统长侧链Nafion?膜虽广泛应用，但短侧链Aquivion?材料因其更高结晶度和磺酸基团密度展现出更优传导潜力，然而低当量重(EW)带来的过度溶胀又严重制约其机械稳定性。如何突破"高传导-低溶胀"的矛盾，成为推动燃料电池技术发展的关键瓶颈。

俄罗斯科学院的研究团队创新性地采用"有机-无机杂化"策略，选取亲水性SiO₂和质子导体Cs_xH_3-xPW₁₂O₄₀作为掺杂剂，通过溶液浇铸法制备了新型Aquivion?复合膜。研究采用小角X射线散射(SAXS)解析膜微观结构，结合电化学阻抗谱测试质子传导率，并通过膜电极组件(MEA)单电池测试验证实际性能。

材料与表征
通过溶胶-凝胶法合成5-15 nm的SiO₂纳米颗粒，共沉淀法制备立方晶系的Cs_xH_3-xPW₁₂O₄₀（粒径50-70 nm）。傅里叶变换红外光谱(FTIR)证实杂多酸保持Keggin结构，X射线光电子能谱(XPS)显示Cs_2.5H_0.5PW₁₂O₄₀的化学组成。

膜性能研究
SAXS分析揭示掺杂使Aquivion?的离子簇间距从3.6 nm增至4.1 nm，形成更连续质子传输通道。在30%湿度下，Cs_xH_3-xPW₁₂O₄₀掺杂膜质子传导率达25 mS/cm，是纯Aquivion?膜的4倍。同步辐射X射线显微断层扫描显示，掺杂剂通过锚定聚合物链使溶胀率降低40%，实现"高水合-低形变"的协同效应。

MEA性能验证
在50%相对湿度、80°C工作条件下，杂化膜组装的单电池最大功率密度达421 mW/cm²，较对照组提升50%。加速耐久性测试表明，300次干湿循环后杂化膜仍保持90%初始性能，归因于Cs_xH_3-xPW₁₂O₄₀对自由基的清除作用。

该研究通过精准调控聚合物-掺杂剂相互作用，首次在低当量重(790 g/mol)短侧链PFSA膜中实现质子传导率与机械稳定性的双重突破。所建立的"离子簇重构-水分子捕获-质子跳跃传输"机制模型，为新一代燃料电池电解质设计提供了理论依据。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的成果，不仅解决了燃料电池在干旱地区应用的重大技术障碍，更为开发无需外部加湿的便携式能源系统开辟了新路径。